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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein eine Umfangsverteilung eines Fluids und insbesondere eine gleichmäßige Umfangsverteilung eines Fluids, wie beispielsweise eines Brennstoffs, in einem Verteiler in einer Gasturbinenanwendung.
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Ein üblicher Mechanismus zum Injizieren von Fluiden an einer speziellen Stelle in vielen technischen Anwendungen erfolgt mittels einer Rohrleitung, durch die das Fluid zugeführt wird und die mit einem Ringraumbereich verbunden ist, in dem das Fluid stromabwärts durch eine Anzahl von längs des Umfangs angeordneten Auslässen verteilt wird. Bei einer numerischen Strömungsmechanik(CFD)-Analyse wird beobachtet, dass höhere Durchflussraten beim Durchgang durch umfangsseitige Auslässe zu sehen sind, die in der Nähe der Speiseversorgungsleitung sowie dem entfernten Ende von der Speiseleitung angeordnet sind. Auslässe in der Nähe der Speiseleitung befinden sich in einer Linie zu der Hauptströmung und sehen sich folglich einem höheren Gesamtdruck in diesen Regionen gegenüber. Nach dem Eintreten in den Ringraum wandelt sich ein Teil der kinetischen Druckhöhe in statische Druckhöhe um, und die statische Druckhöhe steigt weiter an bis zu dem am weitesten entfernten Auslass, während die Strömung in dem Ringraumbereich zu stagnieren neigt.
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Wenn mehrere Auslässe vorhanden sind, die an einen Ringraum angeschlossen sind, kann ein Massendurchsatz durch einzelne Auslässe von demjenigen eines mittleren Durchflusses abweichen. In einigen technischen Anwendungen ist jedoch ein gleichmäßiger Durchfluss durch all die längs des Umfangs angeordneten Auslässe erwünscht. Ein Druckabfall an jedem Auslass bestimmt die Durchflussrate durch jeden Auslass. Da der stromabwärtige Druck für alle Auslässe als gleich angenommen werden kann, bestimmt die stromaufwärtige Druckverteilung im Inneren des Ringraums die Durchflussraten.
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In einer Turbinenbrennkammer ermöglichen gleichmäßige Brennstoffdurchflussraten über alle Brennstoffdüsen es, dass sich die Düse entsprechend der Zweckbestimmung verhält. Bei einer ungleichmäßigen Verteilung führen die Brennstoffdüsen zu einem Risiko höherer Emissionen sowie einem erhöhten Flammenhaltepotential und unerwünschten Temperaturprofilen an dem Ausgang des Übergangsstücks.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einem ersten Aspekt ist eine Vorrichtung zur umfangsseitigen Fluidverteilung in einem Ringraum mit einer Speiseversorgungsleitung koppelbar, und sie enthält mehrere Einlässe, die in dem Ringraum angeordnet sind und ein Fluid von der Speiseversorgungsleitung empfangen, und mehrere Auslässe, die mit dem Ringraum verbunden sind und ein Fluid von dem Ringraum aus radial nach innen liefern. Die Einlässe verteilen ein Fluid in dem Ringraum zu den Auslässen. Die Einlässe und die Auslässe sind derart eingerichtet, dass ein statischer Fluiddruck in dem Ringraum im Wesentlichen konstant ist.
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Besonders vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung zur umfangsseitigen Fluidverteilung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen eine oder mehrere der folgenden:
Die Einlässe können relativ zu der Speiseversorgungsleitung in Umfangsrichtung versetzt sein.
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Die Vorrichtung kann ferner Turbulatoren aufweisen, die um den Ringraum herum und axial entlang des Ringraums positioniert sind, wobei die Turbulatoren einen Massendurchsatz derart normalisieren, dass eine maximale Durchflussrate unter den mehreren Auslässen ein im Wesentlichen lineares Profil definiert.
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Alternativ kann die Vorrichtung ferner in dem Ringraum benachbart zu den Auslässen positionierte Ausbuchtungen (Scoops) aufweisen, die entweder in stromaufwärtiger oder in stromabwärtiger Richtung der Fluidströmung gerichtet sind. Die Ausbuchtungen können in bevorzugter Weise in dem Ringraum platziert sein, um den Fluidfluss zu steuern. Eine Tiefe oder ein Winkel der Ausbuchtungen kann variieren, um den Fluidfluss zu steuern. Außerdem kann die Vorrichtung ferner Turbulatoren aufweisen, die in dem Ringraum zwischen jeweiligen Ausbuchtungen angeordnet sind.
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In einem anderen Aspekt ist eine Vorrichtung zur umfangsseitigen Strömungsverteilung in einem Ringraum mit einer Speiseversorgungsleitung koppelbar, und sie enthält mehrere Einlässe, die in dem Ringraum angeordnet sind und eine Strömung von der Speiseversorgungsleitung empfangen, und mehrere Auslässe, die mit dem Ringraum verbunden sind und die Strömung von dem Ringraum aus radial nach innen liefern. Die Einlässe verteilen ein Fluid in dem Ringraum zu den Auslässen. Die Einlässe können in Umfangsrichtung versetzt relativ zu der Speiseversorgungsleitung derart angeordnet sein, dass ein statischer Druck längs des Umfangs um den Ringraum herum im Wesentlichen konstant ist. Es sind Ausbuchtungen in dem Ringraum benachbart zu den Auslässen positioniert.
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Besonders vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen diejenigen des ersten Aspektes und umfassen insbesondere eine oder mehrere der folgenden:
Die Ausbuchtungen können in bevorzugter Weise in dem Ringraum platziert sein, um den Fluss zu steuern.
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Eine Tiefe oder ein Winkel der Ausbuchtungen kann variieren, um den Fluss zu steuern.
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Die Vorrichtung kann ferner Turbulatoren aufweisen, die in dem Ringraum zwischen jeweiligen Ausbuchtungen angeordnet sind.
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In einem dritten Aspekt enthält ein Verfahren zur Umfangsverteilung einer Fluidströmung in einem Ringraum die Schritte: Konfigurieren der Einlässe und der Auslässe in einer derartigen Weise, das ein statischer Fluiddruck längs des Umfangs um den Ringraum herum im Wesentlichen konstant ist; Empfangen eines Fluids von der Speiseversorgungsleitung; und Verteilen des Fluids zu den Auslässen.
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Besonders vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen diejenigen der Vorrichtung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt und umfassen insbesondere eine oder mehrere der folgenden:
Der Konfigurationsschritt kann ausgeführt werden, indem die Einlässe längs des Umfangs versetzt in Bezug auf das Speiserohr positioniert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Konfigurationsschritt ausgeführt werden, indem Ausbuchtungen in dem Ringraum benachbart zu den Auslässen positioniert werden, die entweder der stromaufwärtigen oder der stromabwärtigen Richtung der Fluidströmung zugewandt sind.
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Das Verfahren kann ferner ein Normalisieren eines Massendurchsatzes des Fluids in einer derartigen Weise aufweisen, dass eine maximale Durchflussrate unter den mehreren Auslässen ein im Wesentlichen lineares Profil definiert, wobei der Normalisierungsschritt ausgeführt wird, indem Turbulatoren rings um den Ringraum und axial entlang des Ringraums positioniert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbine;
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2 zeigt eine Schnittansicht unter Veranschaulichung eines Brennstoffverteilers in einem Ringraum;
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3 zeigt eine Perspektivansicht unter Veranschaulichung der Verwendung von Ausbuchtungen;
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4 zeigt einen Ringraum mit Turbulatoren; und
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5 zeigt einen Ringraum, der Ausbuchtungen und Turbulatoren enthält.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 veranschaulicht eine typische Gasturbine 10. Wie veranschaulicht, enthält die Gasturbine 10 allgemein einen Verdichter 12 vorne, eine oder mehrere Brennkammern 14 um die Mitte herum und eine Turbine 16 hinten. Der Verdichter 12 und die Turbine 16 weisen gewöhnlich einen gemeinsamen Rotor auf. Gewöhnlich setzt der Verdichter 12 Einlassluft unter Druck, die anschließend hinsichtlich ihrer Richtung umgedreht oder in umgekehrter Richtung zu den Brennkammern 14 strömen gelassen wird, wo sie dazu verwendet wird, die Brennkammer zu kühlen und auch Luft für den Verbrennungsprozess bereitzustellen. Die Brennkammern 14 injizieren Brennstoff in die Strömung des verdichteten Arbeitsfluids hinein und entzünden das Gemisch, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur, einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Verbrennungsgase treten aus den Brennkammern 14 aus und strömen zu der Turbine 16, wo sie expandieren, um Arbeit zu verrichten.
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Ein Gehäuse umgibt jede Brennkammer 14, um das verdichtete Arbeitsfluid von dem Verdichter 12 aufzunehmen. Es sind Düsen zum Beispiel in einer Endabdeckung angeordnet, wobei äußere Düsen in Radialrichtung um eine mittlere Düse herum angeordnet sind. Das verdichtete Arbeitsfluid aus dem Verdichter 12 strömt zwischen dem Gehäuse und einer Verkleidung bis zu den äußeren Düsen und der mittleren Düse, die Brennstoff mit dem verdichteten Arbeitsfluid vermischen, und das Gemisch strömt von den äußeren Düsen und der mittleren Düse zu stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kammern, in denen eine Verbrennung stattfindet.
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Ein Brennstoff für eine Verbrennung innerhalb einer Verbrennungszone der Turbine kann über eine Rohrleitung zugeführt werden, die mit einem Ringraumbereich verbunden ist, und anschließend stromabwärts durch eine Anzahl längs des Umfangs angeordneter Auslässe verteilt werden. In vielen Anwendungen ist ein gleichmäßiger Brennstoffdurchfluss durch die längs des Umfangs angeordneten Auslässe erwünscht. 2 zeigt eine Schnittansicht, die einen Ringraum 17 veranschaulicht, der mit einer Speiseversorgungsleitung 18 verbunden ist. In dem Ringraum 17 sind mehrere Einlässe 19 der Reihe nach angeordnet, die einen Brennstoff von der Speiseversorgungsleitung 18 empfangen und verteilen. Mit dem Ringraum sind mehrere Auslässe 20 verbunden, die einen Brennstoff von dem Ringraum 17 aus radial nach innen liefern. Die Einlässe 19 und die Auslässe 20 sind vorzugsweise derart konfiguriert, dass ein statischer Druck des Brennstoffs in dem Ringraum 17 im Wesentlichen konstant ist. In der in 2 veranschaulichten Anordnung wird dies mit den Einlässen 19 erreicht, die relativ zu der Speiseversorgungsleitung 18 in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Im Gegensatz zu existierenden Verteilern mit mehreren Einlässen ist festgestellt worden, dass ein Massendurchsatz durch die Auslässe 20 mit der in 2 veranschaulichten versetzten Anordnung im Vergleich zu Verteilern mit einem einzigen Einlass oder Verteilern mit mehreren Einlässen, bei denen ein Einlass mit der Speiseversorgungsleitung fluchtend ausgerichtet ist, deutlich gleichmäßiger gemacht werden kann.
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Ein weiteres oder alternative strukturelles Merkmal, um eine gleichmäßige Brennstoffverteilung zu unterstützen, ist in
3 veranschaulicht. Wie veranschaulicht, können Turbulatoren
21 rings um den Ringraum und axial entlang des Ringraums positioniert sein, um einen Massendurchsatz derart zu normalisieren, dass eine maximale Durchflussrate unter den mehreren Auslässen ein im Wesentlichen lineares Profil definiert. Das lineare Profil hilft bei der Positionierung und Bemessung der Auslasslöcher, um eine gewünschte Fluiddurchflussmenge in die speziellen Zonen der Brennkammer hinein zu erreichen. Turbulatoren sind im Allgemeinen dazu verwendet worden, die Wärmeübertragung über eine Metalloberfläche zu verbessern (vgl. z. B.
US-Patentschrift 5,738,493 ). Bei der vorliegenden Anmeldung werden die Turbulatoren
21 dazu verwendet, die Druckverteilung im Inneren des Ringraums sukzessiv variieren zu lassen.
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Unter Bezugnahme auf 4 kann der Ringraum Ausbuchtungen 22 enthalten, die in dem Ringraum benachbart zu den Auslässen positioniert sind. Der Ausdruck „Ausbuchtung” bezeichnet eine Einschließung, einen Kanal oder eine Vertiefung, die bzw. der nur auf einer einzigen Seite offen ist. Die Ausbuchtungen 22 reduzieren ebenfalls Ungleichmäßigkeiten der umfangsseitigen Strömungsverteilung. Eine typische Ausbuchtung kann die Auslässe entweder vollständig oder teilweise umgeben (z. B. könnte die Ausbuchtung in Form eines halben Zylinders mit oder ohne eine Oberseite gestaltet sein) oder die Öffnung teilweise oder vollständig abdecken und eine im Wesentlichen teilsphärische Gestalt aufweisen. Andere Formen, die eine ähnliche Strömungseinfangfunktionalität bieten, können ebenfalls verwendet werden. Innerhalb des Rahmens der Erfindung können die Seiten der Ausbuchtungen 22 in Strömungsrichtung geneigt sein. Die Ausbuchtungen 22 können entweder einzeln, in einem Streifen oder als eine Bahn, bei der alle Ausbuchtungen in einem einzigen Arbeitsvorgang fixiert werden, hergestellt werden.
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Im Einsatz wird ein Fluid durch die Ausbuchtungen 22, die in den Ringraum herausragen, geleitet, und sie fangen durch eine Kombination aus Stagnation und Umlenkung ein Fluid ein, das früher aufgrund der fehlenden statischen Druckdifferenz, um die Strömung an diesen vorbeizutreiben, die Auslässe passiert hätte.
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Bei einer bekannten Durchflussrate durch die Auslässe 20 können die Ausbuchtungen 22 bevorzugterweise platziert werden, um einen statischen Fluiddruck an jeweiligen Auslässen in dem Ringraum derart zu steuern, dass der statische Druckabfall und somit die Durchflussraten unter den Auslässen im Wesentlichen konstant sind. Es können Computersimulationen durchgeführt werden, um den Effekt der Ausbuchtungen zu demonstrieren. Außerdem oder alternativ kann eine Tiefe der Ausbuchtungen ebenfalls variiert werden, um den Fluidfluss zu steuern.
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5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, die Turbulatoren 21 und Ausbuchtungen 22 verwendet, wobei die Turbulatoren 21 an den Wänden des Ringraums angeordnet sind.
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Gleichmäßige Durchflussraten (Brennstoff, Verdünnungsmittel, Luft, Dampf, etc.) würden dazu dienen, örtliche Probleme in Bezug auf Emissionen, Flammenhalten und Temperaturprofile zu reduzieren.
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Während die Erfindung in Verbindung mit Ausführungsformen beschrieben worden ist, die derzeit als die praktikabelsten und bevorzugten angesehen werden, sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen umfassen soll, die in dem Rahmen und Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
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Eine umfangsseitige Fluidverteilung in einem Ringraum kann mit einem Ringraum vereinheitlicht werden, der mit einer Speiseversorgungsleitung gekoppelt werden kann, wobei die Vorrichtung mehrere Einlässe, die in dem Ringraum angeordnet sind und ein Fluid von der Speiseversorgungsleitung empfangen, und mehrere Auslässe enthält, die mit dem Ringraum verbunden sind und ein Fluid von dem Ringraum aus radial nach innen liefern. Die Einlässe verteilen ein Fluid in dem Ringraum zu den Auslässen. Die Einlässe und die Auslässe sind derart konfiguriert, dass ein statischer Fluiddruck in dem Ringraum im Wesentlichen konstant ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 12
- Verdichter
- 14
- Brennkammern
- 16
- Turbine
- 17
- Ringraum
- 18
- Speiseversorgungsleitung
- 19
- Einlässe
- 20
- Auslässe
- 21
- Turbulatoren
- 22
- Ausbuchtungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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