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ERKLÄRUNG ZUR BUNDESFORSCHUNG
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Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung unter dem von dem Energieministerium vergebenen Auftrag Nr. DE-FC26-05NT42643 geschaffen. Die US-Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung umfasst allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zuführung von Brennstoff zu einer Gasturbine. Insbesondere beschreibt die vorliegende Erfindung eine Düse, die verwendet werden kann, um Brennstoff einer Brennkammer in einer Gasturbine zuzuführen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gasturbinen werden in Industrie- und Energieerzeugungsbetriebsanwendungen in großem Umfang eingesetzt. Eine typische Gasturbine enthält einen Axialverdichter vorne, eine oder mehrere Brennkammern in etwa in der Mitte und eine Turbine hinten. Umgebungsluft tritt in den Verdichter ein, und rotierende Laufschaufeln sowie stationäre Leitschaufeln in dem Verdichter verleihen dem Arbeitsfluid (der Luft) zunehmend kinetische Energie, um ein komprimiertes Arbeitsfluid in einem energiereichen Zustand zu schaffen. Das komprimierte Arbeitsfluid verlässt den Verdichter und strömt durch Düsen in den Brennkammern hindurch, wo es sich mit einem Brennstoff vermischt und entzündet, um Verbrennungsgase mit einer hohen Temperatur, hohem Druck und hohen Geschwindigkeit zu erzeugen. Die Verbrennungsgase expandieren in der Turbine, um Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel kann die Expansion der Verbrennungsgase in der Turbine eine mit einem Generator verbundene Welle drehen, um Strom zu erzeugen.
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Es ist weit bekannt, dass der thermodynamische Wirkungsgrad einer Gasturbine steigt, wenn die Betriebstemperatur, nämlich die Verbrennungsgastemperatur, steigt. Falls jedoch der Brennstoff und die Luft vor der Verbrennung nicht gleichmäßig miteinander vermischt werden, können sich örtlich begrenzte heiße Stellen in der Brennkammer in der Nähe der Düsenausgänge bilden. Die örtlich begrenzten heißen Stellen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Flammenrückschlag und Flammenhalten auftritt, was die Düsen beschädigen kann. Obwohl ein Flammenrückschlag und ein Flammenhalten bei jedem beliebigen Brennstoff auftreten kann, treten diese eher bei hochreaktiven Brennstoffen, wie beispielsweise Wasserstoff, auf, die eine höhere Brenngeschwindigkeit und einen weiteren Entflammbarkeitsbereich aufweisen. Die örtlich begrenzten heißen Stellen können auch die Erzeugung von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen erhöhen, die alle unterwünschte Abgasemissionen darstellen.
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Es existieren vielfältige Techniken, um unter Minimierung örtlich begrenzter heißer Stellen und unerwünschter Emissionen höhere Betriebstemperaturen zuzulassen. Zum Beispiel sind verschiedene Düsen entwickelt worden, um einen Brennstoff höherer Reaktivität vor der Verbrennung mit dem Arbeitsfluid gleichmäßiger zu vermischen. Die höhere Brenngeschwindigkeit des Brennstoffs höherer Reaktivität schafft jedoch weiterhin eine Umgebung, die für Flammenrückschlag- und/oder Flammenhalteereignisse förderlich ist. Demzufolge würden weitere Verbesserungen der Düsenkonstruktionen, die zunehmend höhere Verbrennungstemperaturen und höher reaktive Brennstoffe unterstützen können, nützlich sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung offensichtlich sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Düse, die eine Brennstoffkammer und eine Luftkammer stromabwärts von der Brennstoffkammer enthält. Mehrere Brennstoffkanäle radial außerhalb einer axialen Mittellinie der Düse umfassen einen Einlass und einen Auslass stromabwärts von dem Einlass und gestatten Luft, durch den Einlass zu strömen. Eine Brennstofföffnung in den mehreren Brennstoffkanälen schafft eine Fluidverbindung zwischen der Brennstoffkammer und den mehreren Brennstoffkanälen. Eine Luftöffnung in den mehreren Brennstoffkanälen stromabwärts von der Brennstofföffnung schafft eine Fluidverbindung zwischen der Luftkammer und den mehreren Brennstoffkanälen.
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Eine weiter Ausführungsform innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ist eine Düse, die einen Mantel enthält, der die Düse längs des Umfangs umgibt. Mehrere Barrieren im Inneren des Mantels erstrecken sich radial über die Düse und definieren eine Brennstoffkammer und eine Luftkammer, wobei sich die Luftkammer stromabwärts von der Brennstoffkammer befindet. Es sind mehrere Brennstoffkanäle radial außen von einer Mittellinie der Düse, wobei die mehreren Brennstoffkanäle als ein Fluiddurchgang definiert sind und einen Einlass sowie einen Auslass stromabwärts von dem Einlass enthalten, eine Brennstofföffnung in Fluidverbindung mit der Brennstoffkammer und eine Luftöffnung in Fluidverbindung mit der Luftkammer vorgesehen, wobei sich die Luftöffnung stromabwärts von der Brennstofföffnung befindet.
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Die vorliegende Erfindung enthält ferner ein Verfahren zum Vermischen von Brennstoff und Luft in einer Düse vor der Verbrennung. Das Verfahren enthält ein Strömenlassen von Luft durch Einlässe mehrerer Brennstoffkanäle, Strömenlassen von Brennstoff zu einer Brennstoffkammer und Strömenlassen von Luft zu einer Luftkammer stromabwärts von der Brennstoffkammer. Das Verfahren enthält ferner ein Injizieren von Brennstoff aus der Brennstoffkammer durch Brennstofföffnungen in den mehreren Brennstoffkanälen hindurch, wobei die mehreren Brennstoffkanäle sich radial außerhalb einer axialen Mittellinie der Düse befinden und Injizieren von Luft aus der Luftkammer durch Luftöffnungen in den mehreren Brennstoffkanälen hindurch, wobei sich die Luftöffnungen stromabwärts von den Brennstofföffnungen befinden.
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Fachleute auf dem Gebiet werden bei einer Durchsicht der Beschreibung die Merkmale und Aspekte derartiger Ausführungsformen und anderer besser erkennen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine umfassende und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, für einen Fachmann auf dem Gebiet ist insbesondere in der restlichen Beschreibung gegeben, die eine Bezugnahme auf die beigefügten Figuren enthält, in denen zeigen:
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1 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Düse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts der in 1 veranschaulichten Brennkammer;
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4 eine ebene Ansicht einer Düse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 eine ebene Ansicht einer oberen Brennkammerkappe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine ebene Ansicht einer oberen Brennkammerkappe gemäß einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun im Einzelnen auf die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung nutzt Bezeichnungen mit Zahlen und Buchstaben, um auf Merkmale in den Zeichnungen zu verweisen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung Bezug zu nehmen.
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Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren Umfang oder deren Rahmen abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen, umfassen soll.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen eine Düse, die mehrere Brennstoffkanäle aufweist, die Brennstoff und Luft vor einer Verbrennung miteinander vermischen. Allgemein strömt der Brennstoff in eine Brennstoffplenumkammer in der Düse hinein. Die Luft, die im Allgemeinen ein komprimiertes Arbeitsfluid von einem Verdichter aufweist, strömt in eine separate Luftplenumkammer stromabwärts von der Brennstoffkammer hinein. Brennstoff aus der Brennstoffkammer strömt anschließend in die Brennstoffkanäle oder wird anschließend in die Brennstoffkanäle injiziert, die radial außen von einer axialen Mittellinie der Düse angeordnet sind. In ähnlicher Weise strömt Luft aus der Luftkammer in die Brennstoffkanäle hinein oder wird in die Brennstoffkanäle injiziert, um entlang der Oberfläche der Brennstoffkanäle zu strömen und sich mit dem darin befindlichen Brennstoff zu vermischen, bevor sie die Düse verlässt. Luft, die außerhalb der Düse und außerhalb der Luftkammer strömt, kann auch in die Brennstoffkanäle einströmen, um sich vor dem Verlassen der Düse mit dem darin befindlichen Brennstoff zu vermischen. Auf diese Weise ergeben die Brennstoffkanäle ein gleichmäßiger vermischtes und möglicherweise magereres Gemisch aus Brennstoff und Luft stromabwärts von der Düse.
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1 zeigt eine vereinfachte Querschnittansicht einer Brennkammer 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie veranschaulicht, enthält die Brennkammer 10 allgemein eine oder mehrere Düsen 12, die in einer oberen Kappe 14 radial angeordnet sind. Ein Gehäuse 16 kann die Brennkammer 10 umgeben, um die Luft oder das komprimierte Arbeitsfluid, das aus dem (nicht veranschaulichten) Verdichter austritt, aufzunehmen. Eine Endkappe 18 und eine Auskleidung 20 können einen Brennraum 22 stromabwärts von den Düsen 12 definieren. Eine Strömungshülse 24 mit Strömungslöchern 26 kann die Auskleidung 20 umgeben, um einen ringförmigen Durchgang 28 zwischen der Strömungshülse 24 und der Auskleidung 20 zu definieren.
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Wie in 2 veranschaulicht, enthält die Düse 12 allgemein einen Mantel 30, der mehrere Brennstoffkanäle 20 am Umfang umgibt. Der Mantel 30 kann eine oder mehrere Trennplatten oder Barrieren enthalten, die diskrete Kammern oder Bereiche im Innern der Düse 12 definieren. Zum Beispiel können sich, wie in 2 veranschaulicht, eine obere, eine mittlere und eine untere Barriere 34, 36, 38 im Innern des Mantels 30 radial über die Weite oder den Durchmesser der Düse 12 hinweg erstrecken. Auf diese Weise kann Brennstoff zum Beispiel durch eine Brennstoffleitung 40 in die Düse 12 eintreten und in eine Brennstoffplenumkammer 42 einströmen, die durch die obere und die mittlere Barriere 34, 36 definiert ist. In ähnlicher Weise kann Luft oder komprimiertes Arbeitsfluid aus dem Verdichter durch den Einlass der Brennstoffkanäle und eine oder mehrere Luftöffnungen 44 in dem Mantel 30 in eine Luftplenumkammer 46 einströmen, die durch die mittlere und die untere Barriere 36, 38 definiert ist.
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Die Brennstoffkanäle 32 sind radial außen von einer axialen Mittellinie 48 der Düse 12 angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander durch eine oder mehrer Barrieren 34, 36, 38 hindurch entlang der axialen Längserstreckung der Düse 12. Zum Beispiel erstreckt sich, wie in den 2 und 3 veranschaulicht, jeder Brennstoffkanal 32 im Wesentlichen von der Brennstoffkammer 42 durch die Luftkammer 46 hindurch zu dem stromabwärtigen Ausgang der Düse 12. Auf diese Weise sind die Brennstoffkanäle 32 in der Lage, ein Gemisch aus Brennstoff und Luft zu dem Brennraum 22 zu liefern. Die Brennstoffkanäle 32 weisen allgemein ein Rohr oder einen Durchgang 50, einen Einlass 52, einen Auslass 54, eine oder mehrere Brennstofföffnungen 56 und eine oder mehrere Luftöffnungen 58 auf. Das Rohr oder der Durchgang 50 kann rund, oval, quadratisch, dreieckig oder von einer beliebigen bekannten geometrischen Gestalt sein. Der Einlass 52 und der Auslass 54 können einfach Öffnungen an dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende der Brennstoffkanäle 32 sein, die Luft ermöglichen, frei durch die Brennstoffkanäle 32 zu strömen und sich mit dem Brennstoff zu vermischen, der durch die Brennstofföffnungen 56 in die Brennstoffkanäle 32 injiziert wird.
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Die Brennstofföffnungen 56 schaffen eine Fluidströmungsverbindung zwischen der Brennstoffkammer 42 und den Brennstoffkanälen 32. Je nach den Entwurfsanforderungen können einige oder alle der Brennstoffkanäle 32 Brennstofföffnungen 56 enthalten. Die Brennstofföffnungen 56 können einfach Durchgangsöffnungen oder Durchbrechungen in dem Rohr oder Durchgang 50 aufweisen, die dem Brennstoff ermöglichen, aus der Brennstoffkammer 42 in den Brennstoffkanal 32 einzuströmen oder injiziert zu werden. Die Brennstofföffnungen 56 können unter einen Winkel in Bezug auf die axiale Mittellinie 48 der Düse 12 ausgerichtet sein, um den Winkel zu variieren unter dem der Brennstoff in die Brennstoffkanäle 32 eintritt, und auf diese Weise die Distanz zu variieren, um die der Brennstoff in die Brennstoffkanäle 32 hinein vordringt, bevor er sich mit der Luft vermischt. Zum Beispiel können die Brennstofföffnungen 56, wie in 2 veranschaulicht, unter einem Winkel zwischen ungefähr 30 und ungefähr 90 Grad in Bezug auf die axiale Mittellinie 48 der Düse 12 angeordnet sein.
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Die Luftöffnungen 58 sorgen in ähnlicher Weise für eine Fluidströmungsverbindung zwischen der Luftkammer 46 und den Brennstoffkanälen 32. Luft oder komprimiertes Arbeitsfluid von dem Verdichter kann auf diese Weise in die Luftkammer 46 hinein durch die Luftöffnungen 44 in dem Mantel 30 hindurch einströmen. Die Luft kann anschließend aus der Luftkammer 46 durch die Luftöffnungen 58 in die Brennstoffkanäle 32 einströmen. Die Luftöffnungen 58 können einfach Durchgangsöffnungen oder Durchbrechungen in dem Rohr oder Durchgang 50 aufweisen, die der Luft ermöglichen, aus der Luftkammer 46 in den Brennstoffkanal 32 hinein zu strömen oder injiziert zu werden. Wie in 2 veranschaulicht, können die Luftöffnungen 58 unter einem Winkel von weniger als ungefähr 30 Grad in Bezug auf die axiale Mittellinie 48 der Düse 12 angeordnet sein, um die Distanz zu variieren, um die die Luft in die Brennstoffkanäle 32 eindringt, bevor sie sich mit dem Brennstoff vermischt.
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Auf diese Weise ergeben die Brennstoffkanäle 32 drei gesonderte hindurchführende Fluidströmungspfade, wie sie durch die Pfeile in 2 veranschaulicht sind. Der erste Strömungspfad ist einfach Luft, die durch den Einlass 32 eintritt und gänzlich durch das Rohr oder den Durchgang 50 strömt, bevor sie aus der Düse 12 an dem Auslass 54 austritt. Ungefähr 60 bis ungefähr 90 Prozent der Luft aus dem Verdichter kann durch den ersten Pfad strömen. Der zweite Pfad ist Brennstoff, der durch die Brennstofföffnungen 56 eintritt und sich mit der von dem Einlass 52 zu dem Auslass 54 passierenden Luft vermischt. Der dritte Strömungspfad ist Luft, die durch die Luftöffnungen 58 eintritt und eine Luftschicht sehr nahe an der Oberfläche des Rohrs 50 bildet, um einen Flammenrückschlag und ein Flammenhalten im Innern des Rohrs 50 zu verhindern, oder sich mit dem vorstehend beschrienen Brenstoff/Luft-Gemisch vermischt, bevor sie aus der Düse 12 austritt. Ungefähr 2 bis 30 Prozent der Luft aus dem Verdichter kann durch diesen dritten Pfad strömen.
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2 und 3 zeigen eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts der in 1 veranschaulichten Brennkammer 10 mit Pfeilen zur Veranschaulichung der verschiedenen Strömungspfade der Luft oder des komprimierten Arbeitsfluids aus dem Verdichter. Wie in 3 veranschaulicht, kann die Luft zwischen der Strömungshülse 24 und der Auskleidung 20 zu den Düsen 12 hin strömen. Während die Luft die Düsen 12 erreicht und entlang der Außenseite des Mantels 30 vorbeiströmt, kann ein Teil der Luft durch die Luftöffnungen 44 hindurch in die Luftkammer 46 einströmen, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Wenn sie sich in der Luftkammer 46 befindet, kann die Luft durch die Luftöffnungen 58 hindurch in die Brennstoffkanäle 32 einströmen, wo sie sich mit dem Brennstoff vermischt, bevor sie aus der Düse 12 in den Brennraum 22 austritt. Zurückkehrend zu 3 erreicht der Rest der entlang der Außenseite des Mantels 30 vorbeiströmenden Luft die Endkappe 18, wo er seine Richtung umkehrt und in den Einlass 52 der Brennstoffkanäle 32 hinein strömt. Sobald sie sich in den Brennstoffkanälen 32 befindet, vermischt sich die Luft mit dem durch die Brennstofföffnungen 56 eintretenden Brennstoff, bevor sie aus der Düse 12 in den Brennraum 22 austritt.
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4, 5 und 6 zeigen verschiedene ebene Ansichten der oberen Kappe 14 mit Blick in stromaufwärtiger Richtung von dem Brennraum 22 aus. Zum Beispiel zeigt 4 eine ebene Ansicht der vorstehend beschriebenen und veranschaulichten Düse 12. Wie in 4 veranschaulicht, erscheinen die Brennstoffkanäle 32 als Kreise, die radial außen von der axialen Mittellinie 48 der Düse 12 angeordnet sind. Wie in den 5 und 6 veranschaulicht, können die Düsen 12 kreisförmig, dreieckig, quadratisch, oval oder praktisch mit jeder beliebigen Gestalt ausgebildet sein und können in der oberen Kappe 14 in verschiedenen Geometrien angeordnet sein. Zum Beispiel können die Düsen 12 in Form von sechs Düsen angeordnet sein, die eine einzelne Düse umgeben, wie dies in 5 veranschaulicht ist. Alternativ kann eine Reihe von tortenstückförmigen Düsen 60 eine kreisförmige Düse 12 umgeben, wie dies in 6 veranschaulicht ist. Ein Fachmann auf dem Gebiet sollte verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Geometrie einzelner Düsen oder irgendwelche bestimmten Düsenanordnungen oder irgendeine bestimmte Anzahl von Brennstoffkanälen beschränkt ist, sofern dies nicht speziell in den Ansprüchen angegeben ist.
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Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Vorteile gegenüber existierenden Düsen bieten. Zum Beispiel ermöglicht die Verwendung der Brennstoffkanäle 32 einen schnelleren Durchfluss des Brennstoffs durch die Düse 12, wodurch die Zeitdauer, die der Brennstoff benötigt, um die Düse 12 zu durchströmen, reduziert wird. Außerdem können die Düsen 12 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung in existierenden Brennkammern eingebaut werden, wodurch kostengünstigere Modifikationen existierender Düsen ermöglicht werden.
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Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltender Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche liegen, 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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Eine Düse 12 enthält eine Brennstoffkammer 42 und eine Luftkammer 46 stromabwärts von der Brennstoffkammer 42. Brennstoffkanäle 32 radial außerhalb einer axialen Mittellinie 48 der Düse 12 enthalten einen Einlass 52 und einen Auslass 54 stromabwärts von dem Einlass 52. Eine Brennstofföffnung 56 in den Brennstoffkanälen 32 schafft eine Fluidströmungsverbindung zwischen der Brennstoffkammer 42 und den Brennstoffkanälen 32. Eine Luftöffnung 58 in den Brennstoffkanälen 32 stromabwärts von der Brennstofföffnung 56 schafft eine Fluidströmungsverbindung zwischen der Luftkammer 46 und den Brennstoffkanälen 32. Ein Verfahren zum Vermischen von Brennstoff und Luft in einer Düse 12 vor einer Verbrennung enthält ein Strömenlassen von Brennstoff zu einer Brennstoffkammer 42 und Strömenlassen von Luft zu einer Luftkammer 46 stromabwärts von der Brennstoffkammer 42. Das Verfahren enthält ferner ein Injizieren von Brennstoff aus der Brennstoffkammer 42 durch Brennstofföffnungen 56 in den Brennstoffkanälen 32 hindurch und Injizieren von Luft aus der Luftkammer 46 durch Luftkanäle 58 in den Brennstoffkanälen 32 hindurch.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkammer
- 12
- Düsen
- 14
- Obere Kappe
- 16
- Gehäuse
- 18
- Endkappe
- 20
- Auskleidung
- 22
- Brennraum
- 24
- Strömungshülse
- 26
- Strömungslöcher
- 28
- Ringförmiger Durchgang
- 30
- Mantel
- 32
- Brennstoffkanäle
- 34
- Obere Barriere
- 36
- Mittlere Barriere
- 38
- Untere Barriere
- 40
- Brennstoffleitung
- 42
- Brennstoffplenum, Brennstoffkammer
- 44
- Luftöffnung
- 46
- Luftplenum, Luftkammer
- 48
- Mittellinie
- 50
- Zylindrischer Durchgang
- 52
- Einlass
- 54
- Auslass
- 56
- Brennstofföffnung
- 58
- Luftöffnung
- 60
- Tortenstückförmige Düsen
