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HINWEIS ZU STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG & ENTWICKLUNG
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Diese Erfindung erfolgte im Rahmen des Vertrags DE-FC26-05NT42643 des Energieministeriums mit Unterstützung der Regierung der USA. Der Regierung stehen an der Erfindung bestimmte Rechte zu.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Der hier offenbarte Erfindungsgegenstand betrifft eine Gasturbine und insbesondere eine Kraftstoffdüsenanordnung mit Merkmalen zur Verkleinerung von Amplituden der Verbrennungsdynamik und zur Verbesserung der Lebensdauer, Betriebsbereitschaft und Zuverlässigkeit.
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Eine Gasturbine verbrennt ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase, die wiederum eine oder mehrere Turbinen antreiben. Insbesondere versetzen die heißen Verbrennungsgase Turbinenblätter in Drehung, wodurch eine Welle angetrieben wird, um eine oder mehrere Lasten, z. B. einen elektrischen Generator, zu drehen. Die Gasturbine umfasst eine Kraftstoffdüsenanordnung, z. B. mit mehreren Kraftstoffdüsen, zum Einspritzen von Kraftstoff und Luft in eine Brennkammer. Bei bestimmten Brennkammern können durch Verbrennungsvorgänge Druckschwankungen hoher Amplitude (z. B. hochfrequente Instabilitäten) erzeugt werden, die durch Schwankungen der Wärmefreisetzung aufgrund der Kopplung zwischen Flammen benachbarter Kraftstoffdüsen und Schallwellen bewirkt werden. Durch diese starken Druckschwankungen kann der Betrieb eingeschränkt und können schließlich Schäden an Brennkammerteilen verursacht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte Ausführungsformen entsprechend des Geltungsbereichs der ursprünglich beanspruchten Erfindung sind nachstehend zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Geltungsbereich der beanspruchten Erfindung nicht einschränken, sondern sollen vielmehr lediglich eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung bereitstellen. So kann die Erfindung verschiedene Formen umfassen, die den nachstehend dargelegten Ausführungsformen ähneln oder sich von ihnen unterscheiden können.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst ein System eine abgestufte Mehrdüsenanordnung. Die abgestufte Mehrdüsenanordnung weist eine erste Kraftstoffdüse mit einer ersten Achse und einem ersten Strömungsweg auf, der zu einem ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt verläuft, wobei die erste Kraftstoffdüse eine erste nicht kreisförmige äußere Begrenzung am ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt aufweist. Die abgestufte Mehrdüsenanordnung weist auch eine zweite Kraftstoffdüse mit einer zweiten Achse und einem zweiten Strömungsweg auf, der zu einem zweiten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt verläuft, wobei der erste und der zweite in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt axial zueinander bezüglich der ersten und zweiten Achse versetzt sind. Die abgestufte Mehrdüsenanordnung weist ferner ein Abdeckelement auf, das in Umfangsrichtung um mindestens die erste und zweite Kraftstoffdüse angeordnet ist, um die abgestufte Mehrdüsenanordnung zusammenzufügen.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst ein System eine Turbinendüsenanordnung. Die Turbinendüsenanordnung weist eine erste Kraftstoffdüse mit einer ersten Achse und ersten mehreren Vormischröhren auf, die zu einem ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt verlaufen, wobei die erste Kraftstoffdüse eine erste äußere Begrenzung in Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks am ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt aufweist. Die Turbinendüsenanordnung weist auch eine zweite Kraftstoffdüse mit einer zweiten Achse und zweiten mehreren Vormischröhren auf, die zu einem zweiten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt verlaufen, wobei der erste und der zweite in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt axial zueinander bezüglich der ersten und zweiten Achse versetzt sind.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Leiten von Kraftstoff und Luft durch eine erste Kraftstoffdüse zu einem ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt, wobei die erste Kraftstoffdüse eine erste nicht kreisförmige äußere Begrenzung am ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt aufweist. Das Verfahren umfasst auch das Leiten von Kraftstoff und Luft durch eine zweite Kraftstoffdüse zu einem zweiten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt, wobei der erste und der zweite in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt versetzt sind, um eine Amplitude der Verbrennungsdynamik zu verkleinern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind mit der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in sämtlichen Zeichnungen gleiche Teile darstellen, besser zu verstehen, wobei:
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1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Turbinensystems mit einer Düsenanordnung mit einem Merkmal zur Verkleinerung von Amplituden der Verbrennungsdynamik und zur Verbesserung der Lebensdauer, Betriebsbereitschaft und Zuverlässigkeit ist,
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2 eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennkammer von 1 mit der Düsenanordnung ist,
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3 eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform einer Kraftstoffdüse der Düsenanordnung entlang der Linie 3-3 von 2 ist,
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4 eine Vorderansicht einer Ausführungsform der Düsenanordnung von 2 ist,
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5 eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform der Brennkammer von 1 mit der Düsenanordnung ist,
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6 eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform der Brennkammer von 1 mit der Düsenanordnung ist, und
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7 eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform der Brennkammer von 1 mit der Düsenanordnung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine oder mehrere konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Um diese Ausführungsformen kurz und knapp zu beschreiben, sind möglicherweise nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Ausführung in der Beschreibung beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Ausführung, wie bei jedem technischen Projekt oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die konkreten Ziele des Entwicklers zu erreichen, beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Aspekte, die sich von einer Ausführung zur nächsten unterscheiden können. Es sollte ferner erkannt werden, dass dieser Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwändig sein könnte, für einen Fachmann, der aus dieser Offenbarung Nutzen zieht, aber dennoch Routine in der Konstruktion, Herstellung und Produktion wäre.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgestellt werden, sollen die Artikel ”ein”, ”eine”, ”der”, ”die” und ”das” bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden ist bzw. sind. Die Begriffe ”umfassen”, ”enthalten” und ”aufweisen” sollen einschließend sein und bedeuten, dass zusätzliche Elemente außer den aufgeführten Elementen vorhanden sein können.
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Die vorliegende Offenbarung ist auf Systeme und ein Verfahren zur Verkleinerung von Amplituden der Verbrennungsdynamik in einer Kraftstoffdüsenanordnung sowie zur Verbesserung der Lebensdauer, Betriebsbereitschaft und Zuverlässigkeit gerichtet. Bestimmte Brennkammern weisen eine Kraftstoffdüsenanordnung mit mehreren Kraftstoffdüsen (d. h. eine Mehrdüsenanordnung) auf. Die Mehrdüsenanordnung weist insbesondere mehrere Kraftstoffdüsen auf, die in Umfangsrichtung um eine mittige Kraftstoffdüse verteilt sind. Der Kraftstoff strömt in die Kraftstoffdüsen und wird vor der Einspritzung aus den Kraftstoffdüsen mit Luft vorgemischt. Bei der Einspritzung aus den Kraftstoffdüsen verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch und erzeugt heiße Verbrennungsprodukte. Durch die Verbrennungsdynamik, die in der Brennkammer eintritt, können Druckschwankungen hoher Amplitude (z. B. hochfrequente Instabilitäten) erzeugt werden, die durch Schwankungen der Wärmefreisetzung bewirkt werden. Diese stärkeren Druckschwankungen können auf die Kopplung zwischen Flammen benachbarter Kraftstoffdüsen und Schallwellen zurückzuführen sein. Durch diese starken Druckschwankungen kann ferner der Betrieb eingeschränkt und können schließlich Schäden an Brennkammerteilen verursacht werden.
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Bei Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind die Kraftstoffdüsen in der Höhe versetzt oder sind die Kraftstoffdüsen zueinander axial (d. h. in Strömungsrichtung) verschoben, um die Amplituden der Verbrennungsdynamik zu verkleinern. Durch das Abstufen der Höhe benachbarter Kraftstoffdüsen zueinander wird beispielsweise die Flammenwechselwirkung der jeweiligen Flammen der Kraftstoffdüsen aufgehoben und werden damit die Amplituden der Druckschwankungen verkleinert. In bestimmten Ausführungsformen weist eine abgestufte Mehrdüsenanordnung eine erste und zweite Kraftstoffdüse auf, die jeweils eine Achse und einen Strömungsweg aufweisen, der zu einem jeweiligen in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt verläuft. In Umfangsrichtung um die Kraftstoffdüsen herum ist ein Abdeckelement angeordnet, um sie in der Mehrdüsenanordnung fest zusammenzufügen. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte der Kraftstoffdüsen umgeben den gesamten Düsenbereich der Düsenanordnung und erhöhen so die Anzahl der in Strömungsrichtung hinten liegenden Enden, die hindurchströmender Luft ausgesetzt sind, und die Gasturbinenleistung. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Enden der ersten und zweiten Kraftstoffdüse sind axial zueinander bezüglich ihrer jeweiligen Achse versetzt. Die erste Kraftstoffdüse weist eine nicht kreisförmige äußere Begrenzung (z. B. Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks) am in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt auf. Die zweite Kraftstoffdüse kann eine kreisförmige oder nicht kreisförmige äußere Begrenzung (z. B. Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks) aufweisen. Die äußere Begrenzung der Kraftstoffdüsen kann jeweils einen Bereich eines kreisförmigen Düsenbereichs bilden, der von einer äußeren Begrenzung des Abdeckelements definiert wird. Eine dritte Kraftstoffdüse kann eine weitere Achse und einen weiteren Strömungsweg aufweisen, der zu einem weiteren in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt verläuft. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Enden der ersten und dritten Kraftstoffdüse können axial zueinander bezüglich ihrer jeweiligen Achse versetzt sein. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Enden der ersten, zweiten und dritten Kraftstoffdüse können auch axial zueinander bezüglich ihrer jeweiligen Achse versetzt sein. Die dritte Kraftstoffdüse kann eine kreisförmige oder nicht kreisförmige äußere Begrenzung (z. B. Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks) aufweisen. Die dritte Kraftstoffdüse kann beispielsweise eine kreisförmige äußere Begrenzung in einem mittigen Abschnitt im kreisförmigen Düsenbereich aufweisen, während die erste und zweite Kraftstoffdüse die dritte Kraftstoffdüse mit einer nicht kreisförmigen äußeren Begrenzung (z. B. Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks) umgeben.
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1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Turbinensystems 10. Wie nachstehend ausführlich beschrieben ist, kann bei dem offenbarten Turbinensystem 10 (z. B. einer Gasturbine) eine Düsenanordnung mit mehreren Kraftstoffdüsen 12 (z. B. eine Mehrdüsenanordnung) verwendet werden, die dafür eingerichtet ist, Amplituden der Verbrennungsdynamik in der Düsenanordnung zu verkleinern und die Lebensdauer, Betriebsbereitschaft und Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern. Die Kraftstoffdüsen 12 können beispielsweise abgestufte oder axial versetzte in Strömungsrichtung hinten liegende Enden aufweisen, um die Flammenwechselwirkung benachbarter Kraftstoffdüsen 12 aufzuheben und damit Amplituden der Verbrennungsdynamik zu verkleinern. In dem Turbinensystem 10 kann flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff, beispielsweise Erdgas und/oder ein wasserstoffreiches Synthesegas zum Antreiben des Turbinensystems 10 verwendet werden. Wie dargestellt ist, wird den Kraftstoffdüsen 12 Kraftstoff 14 zugeführt, der sich dort mit Luft vermischt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in einem geeigneten Verhältnis für eine optimale Verbrennung, optimale Emissionen, einen optimalen Kraftstoffverbrauch und eine optimale Ausgangsleistung in einer Brennkammer 16 verteilt. Das Turbinensystem 10 kann ein oder mehrere Kraftstoffdüsen 12 umfassen, die in ein oder mehreren Brennkammern 16 angeordnet sind. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt in einem Raum in der Brennkammer 16, wodurch heiße, unter Druck stehende Abgase erzeugt werden. Die Brennkammer 16 leitet die Abgase durch eine Turbine 18 in Richtung einer Ausstoßöffnung 20. Wenn die Abgase die Turbine 18 passieren, bewirken die Gase, dass die Turbinenblätter eine Welle 22 entlang einer Achse des Turbinensystems 10 drehen. Wie dargestellt ist, kann die Welle 22 mit verschiedenen Bauteilen des Turbinensystems 10, einschließlich eines Kompressors 24, verbunden sein. Der Kompressor 24 weist ebenfalls Schaufeln auf, die mit der Welle 22 gekoppelt sind. Wenn sich die Welle 22 dreht, drehen sich auch die Schaufeln im Kompressor 24, wodurch die Luft aus einem Lufteinlass 26 durch den Kompressor 24 und in die Kraftstoffdüsen 12 und/oder die Brennkammer 16 hinein komprimiert wird. Die Welle 22 kann auch mit einer Last 28, die ein Fahrzeug oder eine feststehende Last wie ein elektrischer Generator in einem Kraftwerk oder beispielsweise ein Propeller an einem Flugzeug sein kann, verbunden sein. Die Last 28 kann jede geeignete Vorrichtung umfassen, die in der Lage ist, mit der Drehleistung des Turbinensystems 10 angetrieben zu werden.
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2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform der Brennkammer 16 von 1 mit der Düsenanordnung 36. Die Brennkammer 16 weist ein Außengehäuse oder einen Leitmantel 38, die Düsenanordnung 36 und eine Endabdeckung 40 auf. Die Düsenanordnung 36 ist in der Brennkammer 16 montiert. Die Düsenanordnung 36 (d. h. die Mehrdüsenanordnung) weist mehrere Kraftstoffdüsen 12 auf, die in einem Abdeckelement 42 montiert sind. Das Abdeckelement 42 ist in einer Umfangsrichtung 43 um die mehreren Kraftstoffdüsen 12 herum angeordnet. Jede Kraftstoffdüse 12 weist einen Kraftstoffkanal 44 auf, der von einem in Strömungsrichtung vorn liegenden Endabschnitt 46 zu einem in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48 der Düse 12 verläuft. Zusätzlich weist jede Kraftstoffdüse 12 eine Kraftstoffkammer 50 auf, die mit dem Kraftstoffkanal 44 gekoppelt ist, und mehrere Vormischröhren 52, die durch die Kraftstoffkammer 50 zum in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48 verlaufen.
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Wie dargestellt ist, sind die äußeren Kraftstoffdüsen 54 und 56 in der Düsenanordnung 36 angrenzend an eine mittige Kraftstoffdüse 58 angeordnet. Die Kraftstoffdüsen 54, 56 und 58 weisen die Achse 60, 62 beziehungsweise 64 auf. Zusätzlich weisen die Kraftstoffdüsen 54, 56 und 58 die Strömungswege 66, 68 beziehungsweise 70 (z. B. Kraftstoffströmungswege) auf, die zu den jeweiligen in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 72, 74 und 76 verlaufen. Wie dargestellt ist, ist die mittige Kraftstoffdüse 58 bezogen auf einen in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 75 des Abdeckelements 42 zurückgesetzt. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 72 und 74 der Kraftstoffdüsen 54 und 56 sind axial zum in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 76 der Kraftstoffdüse 58 bezüglich ihrer jeweiligen Achse 60, 62 und 64 versetzt, wodurch eine axial abgestufte Mehrdüsenanordnung 36 entsteht. Insbesondere sind die in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 72 und 74 stromabwärts hinter dem in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 76 axial versetzt. Wie nachstehend ausführlich beschrieben ist, kann jedoch die axiale Abstufung der in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 48 der Kraftstoffdüsen 12 in verschiedenen Ausführungsformen unterschiedlich sein. In bestimmten Ausführungsformen kann ein axial versetzter in Strömungsrichtung hinten liegender Endabschnitt 48 (z. B. 76) einer Kraftstoffdüse 12 (z. B. 58) um 1 bis 99 Prozent, 1 bis 50 Prozent, 1 bis 25 Prozent oder 1 bis 10 Prozent einer Länge 77 des in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitts 48 (z. B. 72) einer benachbarten Kraftstoffdüse 12 (z. B. 54) versetzt sein.
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Luft (z. B. Druckluft) strömt über ein oder mehrere Lufteinlassöffnungen 80 in den Leitmantel 38, wie ganz allgemein mit den Pfeilen 78 angegeben ist, und nimmt einen stromaufwärts gerichteten Luftströmungsweg 82 in axialer Richtung 84 auf die Endabdeckung 40 zu. Die Luft strömt anschließend in einen inneren Strömungsweg 86, wie ganz allgemein mit den Pfeilen 88 angegeben ist und weiter entlang eines stromabwärts gerichteten Luftströmungswegs 90 in axialer Richtung 92 durch die mehreren Vormischröhren 92 jeder Kraftstoffdüse 12. Der Kraftstoff strömt in axialer Richtung 92 entlang der Kraftstoffströmungswege 66, 68 und 70 durch jeden Kraftstoffkanal 44 in Richtung des in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitts 48 jeder Kraftstoffdüse 12. Anschließend strömt der Kraftstoff in die Kraftstoffkammer 50 jeder Kraftstoffdüse 12 und vermischt sich in den mehreren Vormischröhren 52 mit Luft. Die Kraftstoffdüsen 12 spritzen das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem geeigneten Verhältnis für eine optimale Verbrennung, optimale Emissionen, einen optimalen Kraftstoffverbrauch und eine optimale Ausgangsleistung in einen Verbrennungsbereich 94. Die abgestufte Anordnung der zuvor besprochenen Mehrdüsenanordnung 36 verhindert im Wesentlichen, dass Verbrennungsvorgänge (z. B. Flammen) der benachbarten Kraftstoffdüsen entlang einer Ebene 96, die zwischen dem in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 75 des Abdeckelements 42 verläuft, aufeinander einwirken und hebt so die Flammenwechselwirkung auf. Mit der abgestuften Anordnung ist es beispielsweise nicht möglich, dass Flammen von den Kraftstoffdüsen 54 und 56 und die Flamme von der Kraftstoffdüse 58 aufeinander einwirken, um sich gegenseitig zu stimulieren. Durch die Aufhebung der Flammenwechselwirkung können die Amplituden der starken Druckschwankungen oder der Verbrennungsdynamik verkleinert werden.
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3 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführungsform einer der Kraftstoffdüsen 12 der Düsenanordnung 36 entlang der Linie 3-3 von 2. Wie zuvor beschrieben ist, weist die Kraftstoffdüse 12 den Kraftstoffkanal 44 auf, die Kraftstoffkammer 50, die mit dem Kraftstoffkanal 44 gekoppelt ist, und die mehreren Vormischröhren 52, die durch die Kraftstoffkammer 50 zum in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48 verlaufen. Jede Röhre 52 kann eine Reihe aus mehreren Vormischröhren 52 aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen kann die äußere Begrenzung 105 der Kraftstoffdüse 12 kreisförmig oder nicht kreisförmig sein (z. B. Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks). In Ausführungsformen, in denen die Kraftstoffdüse 12 eine kreisförmige äußere Begrenzung 105 aufweist, können die Röhren 52 in konzentrischen Reihen um eine Mittelachse 107 der Kraftstoffdüse 12 angeordnet sein. In bestimmten Ausführungsformen können sich ferner die Anzahl der Reihen, die Anzahl der Röhren 52 pro Reihe und die Anordnung der Vielzahl der Röhren 52 unterscheiden. Wie dargestellt ist, weist jede der mehreren Vormischröhren 52 die Lufteinlassöffnungen 106, die Kraftstoffeinlassöffnungen 108 in der Kraftstoffkammer 50 und die Luftaustrittsöffnungen 110 am in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48 auf. In bestimmten Ausführungsformen kann die Anzahl der Kraftstoffeinlassöffnungen 108 an jeder Röhre 52 zwischen 0 und 50, 1 und 25, 1 und 10 oder jeder geeigneten Zahl liegen. Ferner kann sich die Anzahl, Größe und Position (z. B. axial und in Umfangsrichtung) der Kraftstoffeinlassöffnungen 108 von einer Röhre 52 zur anderen unterscheiden. Die Anzahl und/oder Größe der Kraftstoffeinlassöffnungen 108 (oder die Gesamtquerschnittsfläche aller Kraftstoffeinlassöffnungen 108) pro Röhre 52 kann beispielsweise im Allgemeinen in einer radialen Richtung 109 von der Achse 107 aus zunehmen oder abnehmen.
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Wie zuvor erwähnt ist, strömt Luft entlang des stromabwärts gerichteten Luftströmungswegs 90 in axialer Richtung 92 und strömt in die Lufteinlassöffnungen 106, wie ganz allgemein mit den Pfeilen 112 angegeben ist, der mehreren Vormischröhren 92 der Kraftstoffdüse 12. Der Kraftstoff strömt in axialer Richtung 92 entlang des Kraftstoffströmungswegs 114 durch den Kraftstoffkanal 44 in Richtung des in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitts 48 der Kraftstoffdüse 12. Anschließend strömt der Kraftstoff in die Kraftstoffkammer 50 und wird in Richtung der Vielzahl der Röhren 52 umgeleitet, wie ganz allgemein mit den Pfeilen 116 angegeben ist. Die Kraftstoffdüse 12 weist ein Ablenkelement 118 auf, um den Kraftstoffstrom innerhalb der Kraftstoffkammer 50 zu leiten. Der Kraftstoff strömt in Richtung der Kraftstoffeinlassöffnungen 108, wie ganz allgemein mit den Pfeilen 120 angegeben ist, und vermischt sich in den mehreren Vormischröhren 52 mit Luft. Die Kraftstoffdüse 76 gibt das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus den Kraftstoff-Luft-Austrittsöffnungen 110 am in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48, wie ganz allgemein mit den Pfeilen 122 angegeben ist, in den Verbrennungsbereich 94 hinein.
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Wie zuvor erwähnt ist, können sich die Kraftstoffdüsen 12 der Kraftstoffdüsenanordnung 36 in der axialen Abstufung oder der relativen Platzierung der Düsen 12 unterscheiden, sodass die Kraftstoff-Luft-Austrittsöffnungen 110 bei verschiedenen Kraftstoffdüsen 12 zueinander versetzt sind. 4 ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform der Düsenanordnung 36 von 2. Die Düsenanordnung 36 weist mehrere Kraftstoffdüsen 12 und das Abdeckelement 42 auf. Das Abdeckelement 42 ist in Umfangsrichtung um die Kraftstoffdüsen 12 herum in der Richtung 43 angeordnet, um die Mehrdüsenanordnung 36 zusammenzufügen. Jede Kraftstoffdüse 12 weist mehrere Vormischröhren 52 auf, die in Reihen 132 angeordnet sind, wie zuvor erörtert ist. Die Vormischröhren 52 sind der Klarheit halber lediglich an Abschnitten einiger Kraftstoffdüsen 12 dargestellt. Wie dargestellt ist, weisen die Kraftstoffdüsen 12 eine mittige Kraftstoffdüse 134 (mit A bezeichnet) und mehrere Kraftstoffdüsen 12 (äußere Kraftstoffdüsen 136) auf, die in Umfangsrichtung um die mittige Kraftstoffdüse 134 angeordnet sind. Wie dargestellt ist, umgeben sechs äußere Kraftstoffdüsen 136 (mit B, C, D, E, F und G bezeichnet) die mittige Kraftstoffdüse 134. In bestimmten Ausführungsformen kann sich jedoch die Anzahl der Kraftstoffdüsen 12 sowie die Anordnung der Kraftstoffdüsen 12 unterscheiden. Die Anzahl der äußeren Kraftstoffdüsen 136 kann beispielsweise 1 bis 20, 1 bis 10 betragen oder jede andere Zahl sein. Die Kraftstoffdüsen 12 sind in dem Abdeckelement 42 dicht angeordnet. Infolgedessen definiert eine innere Begrenzung 138 des Abdeckelements 42 einen kreisförmigen Düsenbereich 140 für die Düsenanordnung 36. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 48 der Kraftstoffdüsen 12 umgeben den gesamten kreisförmigen Düsenbereich 140. Damit wird der Bereich 140 der Kraftstoffdüsenanordnung 36, der hindurchströmender Luft ausgesetzt ist, vergrößert und ermöglicht eine Steigerung der Gasturbinenleistung. Jede äußere Kraftstoffdüse 136 weist eine nicht kreisförmige äußere Begrenzung 142 auf. Wie dargestellt ist, weist die äußere Begrenzung 142 die Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks mit den zwei parallelen Seiten 144 und 146 auf. Die Seiten 144 und 146 sind bogenförmig, während die Seiten 145 und 147 geradlinig sind (laufen z. B. in der radialen Richtung 109 auseinander). In bestimmten Ausführungsformen kann jedoch die äußere Begrenzung 142 der äußeren Kraftstoffdüsen 136 eine andere Form aufweisen, z. B. eine Kuchenform mit drei Seiten. Die äußere Begrenzung 142 jeder äußeren Kraftstoffdüse 136 umfasst einen Bereich des kreisförmigen Düsenbereichs 140. Die mittige Kraftstoffdüse 134 weist eine kreisförmige äußere Begrenzung 148 auf. In bestimmten Ausführungsformen kann die äußere Begrenzung 148 eine andere Form aufweisen, z. B. ein Quadrat, Sechseck, Dreieck oder ein anderes Vieleck. Die äußere Begrenzung 148 der mittigen Kraftstoffdüse 134 ist in einem mittigen Abschnitt 150 des kreisförmigen Düsenbereichs 140 angeordnet. Die Kraftstoffdüsen 12 sind dicht angeordnet, um den Bereich 140 der in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 48, die hindurchströmender Luft ausgesetzt sind, zu vergrößern.
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Wie zuvor erwähnt ist, können die in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte
48 der Kraftstoffdüsen
12 abgestuft oder axial zueinander versetzt sein, um die Flammenwechselwirkung aufzuheben und Amplituden der Verbrennungsdynamik zu verkleinern. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte
48 können zudem innerhalb des Abdeckelements
42 vertieft sein oder über das Abdeckelement
42 in der axialen Richtung
84 und
92 hinausragen. Die Kraftstoffdüsen
12 können einzeln axial versetzt sein. Der in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt
48 der mittigen Kraftstoffdüse kann beispielsweise bezüglich den äußeren Kraftstoffdüsen
136 (B, C, D, E, F und/oder G) vertieft sein oder hinausragen. Alternativ können die Kraftstoffdüsen
12 als Gruppe axial zueinander versetzt sein. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Enden
48 der äußeren Kraftstoffdüsen
136 (B, D und F) können beispielsweise bezogen auf die äußeren Kraftstoffdüsen
136 (C, E und G) und die mittige Kraftstoffdüse
134 (A) vertieft sein oder hinausragen. Das in Strömungsrichtung hinten liegende Ende
48 der mittigen Kraftstoffdüse
136 kann folglich zu den in Strömungsrichtung hinten liegenden Enden
48 von einer oder mehreren der äußeren Kraftstoffdüsen
136 bezogen auf ihre jeweilige Achse versetzt sein. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Enden
48 der äußeren Kraftstoffdüsen
136 können auch axial bezüglich ihrer jeweiligen Achse versetzt sein. Die äußere Kraftstoffdüse
136 (C) kann beispielsweise bezogen auf die benachbarten äußeren Kraftstoffdüsen
136 (B und D) vertieft sein oder hinausragen. Die Kraftstoffdüsen
12 können ferner einen unterschiedlichen axialen Versatz bezüglich ihrer jeweiligen Achse aufweisen (siehe
7). Die äußeren Kraftstoffdüsen
136 (C und F) können beispielsweise vertieft sein, jedoch in unterschiedlichem Maße, wobei die äußere Kraftstoffdüse
136 (C) weiter in dem Abdeckelement
42 vertieft ist als die äußere Kraftstoffdüse
136 (F). In Tabelle 1 sind verschiedene Kombinationen der axialen Position der Kraftstoffdüsen
12 zusammengefasst, die (stromaufwärts oder stromabwärts) bezüglich der übrigen Kraftstoffdüsen
12 axial versetzt sind (d. h. durch das Hinausragen oder Vertieftsein der Kraftstoffdüsen
12 aus dem bzw. zum Abdeckelement
42). Es sollte jedoch erkannt werden, dass die Tabelle 1 nicht vollständig ist und in bestimmten Ausführungsformen andere Kombinationen der axialen Position, einschließlich zusätzlicher axialer Positionen (d. h. einer vierten axialen Position), möglich sind.
| Erste axiale Position | Zweite axiale Position | Dritte axiale Position |
| A, B, D und F | C, E und G | |
| A, C, D, F und G | B und E | |
| A, B, C, E und F | D und G | |
| A, B, D, E und G | C und F | |
| A, B, D, E und F | C und G | |
| A, B, C, E und G | D und F | |
| B, C, D, E, F und G | A | |
| B, D und F | A, C, E und G | |
| C, D, F und G | A, B und E | |
| B, C, E und F | A, D und G | |
| B, D, E und G | A, C und F | |
| B, D, E und F | A, C und G | |
| B, C, E und G | A, D und F | |
| A | C, E und G | B, D und F |
| A | B und E | C, D, F und G |
| A | D und G | B, C, E und F |
| A | C und F | B, D, E und G |
| A | C und G | B, D, E und F |
| A | D und F | B, C, E und G |
| C, E und G | B, D und F | A |
| B und E | C, D, F und G | A |
| D und G | B, C, E und F | A |
| C und F | B, D, E und G | A |
| C und G | B, D, E und F | A |
| D und F | B, C, E und G | A |
| B, D und F | A | C, E und G |
| C, D, F und G | A | B und E |
| B, C, E und F | A | D und G |
| B, D, E und G | A | C und F |
| B, D, E und F | A | C und G |
| B, C, E und G | A | D und F |
| C, E und G | A | B, D und F |
| B und E | A | C, D, F und G |
| D und G | A | B, C, E und F |
| C und F | A | B, D, E und G |
| C und G | A | B, D, E und F |
| D und F | A | B, C, E und G |
| B, D und F | C, E und G | A |
| C, D, F und G | B und E | A |
| B, C, E und F | D und G | A |
| B, D, E und G | C und F | A |
| B, D, E und F | C und G | A |
| B, C, E und G | D und F | A |
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Tabelle 1
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5 bis 7 stellen weitere Ausführungsformen abgestufter oder axial versetzter Kraftstoffdüsen 12 in der Kraftstoffdüsenanordnung 36 bereit. 5 bis 7 sind Seitenansichten im Querschnitt von Ausführungsformen der Brennkammer 16 von 1 mit der Düsenanordnung 36. Die Brennkammer 16 und die Kraftstoffdüsenanordnung 36 entsprechen der Beschreibung zuvor in 2. Wie in 5 dargestellt ist, sind die äußeren Kraftstoffdüsen 54 und 56 in der Düsenanordnung 36 angrenzend an die mittige Kraftstoffdüse 58 angeordnet. Die mittige Kraftstoffdüse 58 ragt über die Ebene 96, die zwischen den in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 75 des Abdeckelements 42 verläuft, hinaus. Der in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 76 der Kraftstoffdüse 58 ist axial zu den in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 72 und 74 der Kraftstoffdüsen 54 und 56 bezüglich ihrer jeweiligen Achse 64, 60 und 62 versetzt, wodurch die abgestufte Mehrdüsenanordnung 36 entsteht. Insbesondere ist der in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 76 stromabwärts hinter den in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 72 und 74 axial versetzt, d. h. in der axialen Richtung 92.
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Wie in 6 dargestellt ist, ragt die äußere Kraftstoffdüse 54 über die Ebene 96, die zwischen den in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 75 des Abdeckelements 42 verläuft, hinaus. Der in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 72 der Kraftstoffdüse 54 ist axial zu den in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 74 und 76 der Kraftstoffdüsen 56 und 58 bezüglich ihrer jeweiligen Achse 60, 62 und 64 versetzt, wodurch die abgestufte Mehrdüsenanordnung 36 entsteht. Insbesondere ist der in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 72 stromabwärts hinter den in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 74 und 76 axial versetzt, d. h. in der axialen Richtung 92. Die äußere Kraftstoffdüse 54 ist somit bezogen sowohl auf die mittige Kraftstoffdüse 58 als auch auf die äußere Kraftstoffdüse 56 abgestuft oder versetzt.
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Wie in 7 dargestellt ist, ragen die äußeren Kraftstoffdüsen 54 und 56 über die Ebene 96, die zwischen den in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 75 des Abdeckelements 42 verläuft, hinaus. Die äußere Kraftstoffdüse 54 ragt weiter über die Ebene 96 hinaus als die äußere Kraftstoffdüse 56. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 72, 74 und 76 der Kraftstoffdüsen 54, 56 und 58 sind alle zueinander bezüglich ihrer jeweiligen Achse 60, 62 und 64 axial versetzt, wodurch die abgestufte Mehrdüsenanordnung 36 entsteht. Insbesondere ist der in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 72 stromabwärts hinter den in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitten 74 und 76 axial versetzt, während der in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 74 stromabwärts hinter dem in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 76 axial versetzt ist. Die Kraftstoffdüsen 54, 56 und 58 können somit in unterschiedlicher Höhe oder Länge axial zueinander versetzt sein. Die Ausführungsformen unterschiedlicher abgestufter Anordnungen der Mehrdüsenanordnung 36 verhindern im Wesentlichen, wie zuvor erörtert ist, dass Verbrennungsvorgänge (z. B. Flammen) der benachbarten Kraftstoffdüsen 12 entlang derselben Ebene 96 aufeinander einwirken. Mit anderen Worten hebt die abgestufte Anordnung die Flammenwechselwirkung zwischen den benachbarten Kraftstoffdüsen 12 auf. Durch die Aufhebung der Flammenwechselwirkung können die Amplituden der starken Druckschwankungen oder der Verbrennungsdynamik verkleinert werden. Durch die Verkleinerung der Amplitude der Verbrennungsdynamik und die Vergrößerung des Bereichs 140 der in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 48, die hindurchströmender Luft ausgesetzt sind, kann die Gasturbinenleistung gesteigert und können die Lebensdauer, Betriebsbereitschaft und Zuverlässigkeit verbessert werden.
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In bestimmten Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betrieb eines Turbinensystems das Leiten von Kraftstoff und Luft durch eine erste Kraftstoffdüse 12 zu einem ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48 umfassen. Die erste Kraftstoffdüse 12 weist eine nicht kreisförmige äußere Begrenzung am ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48 auf. In bestimmten Ausführungsformen weist die nicht kreisförmige äußere Begrenzung eine äußere Begrenzung in Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks auf. Das Verfahren umfasst auch das Leiten von Kraftstoff und Luft durch eine zweite Kraftstoffdüse 12 zu einem zweiten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48. Der zweite in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 48 kann eine nicht kreisförmige (z. B. Form eines abgeschnittenen Kuchenstücks) oder kreisförmige äußere Begrenzung aufweisen. Der erste und zweite in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 48 sind abgestuft, um eine Amplitude der Verbrennungsdynamik (z. B. hochfrequente Instabilitäten) zu verkleinern. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Leiten von Kraftstoff und Luft durch die erste Kraftstoffdüse 12 das Herauslassen eines Kraftstoff-Luft-Gemischs aus dem ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48 an einer Stelle in Strömungsrichtung vor dem zweiten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48. In anderen Ausführungsformen umfasst das Leiten von Kraftstoff und Luft durch die erste Kraftstoffdüse 12 das Herauslassen des Kraftstoff-Luft-Gemischs aus dem ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48 an einer Stelle in Strömungsrichtung hinter dem zweiten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48.
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Zu den technischen Wirkungen der offenbarten Ausführungsformen gehören Systeme und Verfahren zur Verkleinerung von Amplituden der Verbrennungsdynamik. Mit den hier offenbarten Ausführungsformen werden die Amplituden der Verbrennungsdynamik durch Abstufen oder axiales Versetzen der in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 48 benachbarter Kraftstoffdüsen 12 in der Düsenanordnung 36, z. B. in einem Verbrennungssystem wie einer Gasturbine, verkleinert. Durch das Abstufen der in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitte 48 benachbarter Kraftstoffdüsen wird die Flammenwechselwirkung zwischen den Düsen aufgehoben. Zusätzlich ermöglicht die Vergrößerung des Düsenbereichs 140 der Düsenanordnung mehr Luftdurchströmung. Durch die Verkleinerung von Amplituden der Verbrennungsdynamik und die Vergrößerung des Düsenbereichs 140 gemeinsam können die Betriebsbereitschaft, Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Turbinensystems verbessert werden.
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In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von darin enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Geltungsbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, an die der Fachmann denkt. Diese weiteren Beispiele sollen in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die nicht vom genauen Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum genauen Wortlaut der Ansprüche umfassen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein System eine abgestufte Mehrdüsenanordnung 36. Die abgestufte Mehrdüsenanordnung 36 weist eine erste Kraftstoffdüse 12 mit einer ersten Achse 60, 62, 64 und einem ersten Strömungsweg 66, 68, 70 auf, der zu einem ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48, 72, 74, 76 verläuft, wobei die erste Kraftstoffdüse 12 eine erste nicht kreisförmige äußere Begrenzung 142 am ersten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48, 72, 74, 76 aufweist. Die abgestufte Mehrdüsenanordnung 36 weist auch eine zweite Kraftstoffdüse 12 mit einer zweiten Achse 60, 62, 64 und einem zweiten Strömungsweg 66, 68, 70 auf, der zu einem zweiten in Strömungsrichtung hinten liegenden Endabschnitt 48, 72, 74, 76 verläuft, wobei der erste und der zweite in Strömungsrichtung hinten liegende Endabschnitt 48, 72, 74, 76 axial zueinander bezüglich der ersten und zweiten Achse 60, 62, 64 versetzt sind. Die abgestufte Mehrdüsenanordnung 36 weist ferner ein Abdeckelement 42 auf, das in Umfangsrichtung um mindestens die erste und zweite Kraftstoffdüse 12 angeordnet ist, um die abgestufte Mehrdüsenanordnung 36 zusammenzufügen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbinensystem
- 12
- Kraftstoffdüse
- 14
- Kraftstoffzufuhr
- 16
- Brennkammer
- 18
- Turbine
- 20
- Ausstoßöffnung
- 22
- Welle
- 24
- Kompressor
- 26
- Lufteinlass
- 28
- Last
- 36
- Düsenanordnung
- 38
- Leitmantel
- 40
- Endabdeckung
- 42
- Abdeckelement
- 44
- Kraftstoffkanal
- 46
- In Strömungsrichtung vorn liegender Endabschnitt
- 48
- In Strömungsrichtung hinten liegender Endabschnitt
- 50
- Kraftstoffkammer
- 52
- Vormischröhren
- 54
- Äußere Kraftstoffdüse
- 56
- Äußere Kraftstoffdüse
- 58
- Mittige Kraftstoffdüse
- 60
- Achse
- 62
- Achse
- 64
- Achse
- 66
- Strömungsweg
- 68
- Strömungsweg
- 70
- Strömungsweg
- 72
- In Strömungsrichtung hinten liegender Endabschnitt
- 74
- In Strömungsrichtung hinten liegender Endabschnitt
- 75
- In Strömungsrichtung hinten liegender Endabschnitt
- 76
- In Strömungsrichtung hinten liegender Endabschnitt
- 77
- Länge
- 78
- Pfeile
- 80
- Lufteinlassöffnungen
- 82
- Stromaufwärts gerichteter Luftströmungsweg
- 84
- Axiale Richtung
- 86
- Innerer Strömungsweg
- 88
- Pfeile
- 90
- Stromabwärts gerichteter Luftströmungsweg
- 92
- Axiale Richtung
- 94
- Verbrennungsbereich
- 96
- Ebene
- 105
- Äußere Begrenzung
- 106
- Lufteinlassöffnungen
- 107
- Mittelachse
- 108
- Kraftstoffeinlassöffnungen
- 109
- Radiale Richtung
- 110
- Kraftstoff-Luft-Austrittsöffnungen
- 112
- Pfeile
- 114
- Kraftstoffströmungsweg
- 116
- Pfeile
- 118
- Ablenkelement
- 120
- Pfeile
- 122
- Pfeile
- 132
- Reihen
- 134
- Mittige Kraftstoffdüse
- 136
- Äußere Kraftstoffdüse
- 138
- Innere Begrenzung
- 140
- Kreisförmiger Düsenbereich
- 142
- Nicht kreisförmige äußere Begrenzung
- 144
- Parallele Seite
- 146
- Parallele Seite
- 148
- Kreisförmige äußere Begrenzung
- 150
- Mittiger Abschnitt
