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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent beziehen sich allgemein auf Gasturbinen und insbesondere auf eine Brennstoffanschlüsse aufweisende Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse, die dazu eingerichtet ist, Emissionen, wie etwa Stickoxide und dergleichen, zu begrenzen und dabei eine effiziente Arbeitsleistung der Gasturbine aufrecht zu erhalten.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Betriebseffizienz einer Gasturbine steigt im Allgemeinen, wenn die Temperatur des Abgasstroms steigt. Höhere Abgasstromtemperaturen können jedoch zu der Erzeugung hoher Niveaus von Stickoxiden (NOx) und anderen Arten von unerwünschten Emissionen führen. Solche Emissionen können Regulierungen auf Bundesebene und Länderebene in den Vereinigten Staaten unterworfen werden und können auch gleichartigen Regulierungen im Ausland unterliegen. Ein Balanceakt besteht daher zwischen dem Betreiben einer Gasturbine in einem effizienten Temperaturbereich, während auch sichergestellt werden muss, dass die Abgabe von Stickoxyden und anderen Arten von Regulierungen unterworfenen Emissionen deutlich unter vorgeschriebenen Niveaus bleiben. Viele andere Arten von Betriebsparametern können auch variiert werden, um eine solche optimierte Balance bereitzustellen.
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Bei einer Gasturbine, die eine Brennkammereinrichtung des Diffusionstyps aufweist, d.h. ohne Vorgemischung, wird Brennstoff in einem Luftdrallerzeuger einer Brennstoffdüse eingespritzt. Luft strömt durch den Luftdrallerzeuger, um diese mit dem Brennstoff für eine stromabwärtsseitige Verbrennung zu mischen. Bei bestimmten Luftdrallerzeugerkonfigurationen, kann das Mischen der Luft mit dem Brennstoff hohe Abgasstromtemperaturen erzeugen, was zu der Erzeugung hoher Niveaus von NOx führen kann. Außerdem können bei bestimmten Luftdrallerzeugerkonfigurationen der Brennstoff und das resultierende heiße Verbrennungsgas in einer Rezirkulationszone stromabwärts des Luftdrallerzeugers mitgenommen werden. Als Folge davon, kann die Ummantelung, die die Brennstoffdüsen und die Brennkammer umgibt, relativ hohen Temperaturen des kopfseitigen Endes ausgesetzt sein. Außerdem können die relativ hohen Temperaturen des kopfseitigen Endes noch weiter erhöht werden, wenn die Brennkammereinrichtung bestimmte Arten von flüssigen Brennstoffen verbrennt. Solche hohen Temperaturen können einen Einfluss auf die Intaktheit und die Lebensdauer der Ummantelung und anderer Komponenten haben.
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Es besteht daher ein Bedarf für eine verbesserte Brennstoffdüse zur Verwendung in einer Brennkammereinrichtung, insbesondere in einer Brennkammereinrichtung des Diffusionstyps in einer Gasturbine. Eine solche Brennstoffdüse für eine Brennkammereinrichtung des Diffusionstyps kann die Rezirkulation des Brennstoffs und der heißen Verbrennungsgase stromabwärts der Brennstoffdüse beschränken. Außerdem kann eine solche Brennstoffdüse für eine Diffusionsbrennkammer den Brennstoff und die Luftströme darin effizient mit begrenzten Emissionen verbrennen, während auch die Ummantelungstemperaturen begrenzt werden, um die Komponentenlebensdauer zu erhöhen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung und das resultierende Patent stellen somit eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse für eine Gasturbine bereit. Die Brennstoffdüse kann eine oder mehrere Gasbrennstoffkanäle für einen oder mehrere Gasbrennstoffströme, einen den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle umgebenden und um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordneten Drallerzeuger, eine Anzahl von in dem Drallerzeuger gebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen und eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen aufweisen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind. Der Drallerzeuger kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern und eine Anzahl von zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern gebildeten Luftkammern aufweisen.
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Jeder der Gaserzeugerbrennstoffanschlüsse der oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann in dem Drallerzeuger zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern gebildet sein.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann in dem Drallerzeuger stromaufwärts der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse gebildet sein.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem der Gasbrennstoffkanäle zu einer Luftkammern hin erstrecken.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken.
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Jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionskammerbrennstoffdüse kann sich von einem der Gasbrennstoffkanäle zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse erstrecken.
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Jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse parallel zu einer Achse der Brennstoffdüse sein.
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Jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann gegenüber einer Achse der Brennstoffdüse geneigt sein.
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Der eine oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle von irgendeiner oben erwähnten Diffusionskammerbrennstoffdüse kann bzw. können sich zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem ersten Gasbrennstoffkanal zu einer der Luftkammern und jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse kann sich von dem ersten Gasbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse erstecken.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem ersten Gasbrennstoffkanal zu einer der Luftkammern erstrecken, wobei sich jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse von einem zweiten Gasbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse erstrecken kann.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann in Fluidverbindung mit einer ersten Gasbrennstoffquelle stehen und jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse kann in Fluidverbindung mit der ersten Gasbrennstoffquelle stehen.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann in Fluidverbindung mit einer ersten Gasbrennstoffquelle stehen, wobei jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse in Fluidverbindung mit einer zweiten Gasbrennstoffquelle stehen kann.
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Die Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse irgendeiner oben erwähnten Ausführung kann ferner einen Flüssigbrennstoffkanal und einen Flüssigbrennstoffauslass für einen Flüssigbrennstoffstrom aufweisen, wobei sich der Flüssigbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstecken kann und wobei der Flüssigbrennstoffauslass um die Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordnet ist.
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Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse einer Gasturbine bereit. Das Verfahren kann die Schritte aufweisen: Bereitstellen einer oder mehrerer Ströme eines Gasbrennstoffes durch die Düse, Hindurchleiten eines ersten Anteils des einen Stroms oder der mehreren Ströme des Gasbrennstoffes durch eine Anzahl von in einem Drallerzeuger ausgebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen, die um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordnet sind und Hindurchleiten eines zweiten Anteils des einen Stroms oder der mehreren Ströme des Gasbrennstoffes durch eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind.
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Das Verfahren kann ferner das Mischen des ersten Anteils des einen oder der mehreren Ströme des Brennstoffs mit einem Luftstrom innerhalb von Luftkammern des Drallerzeugers und das Einleiten des gemischten Brennstoff-Luft-Stroms in eine Brennkammer der Diffusionsbrennkammereinrichtung aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung und das resultierende Patent stellen ferner eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse für eine Gasturbine bereit. Die Brennstoffdüse kann einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle für einen Strom oder mehrere Ströme von Gasbrennstoff, einen den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle umgebenden und um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordneten Drallerzeuger, eine Anzahl von in dem Drallerzeuger ausgebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen und eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen aufweisen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind. Der eine oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle können sich zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken. Der Drallerzeuger kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern und eine Anzahl von zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern gebildeten Luftkammern aufweisen. Jeder von der Anzahl von Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen kann in dem Drallerzeuger zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern ausgebildet sein.
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Dementsprechend kann eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse für eine Gasturbine aufweisen: Einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle für einen Strom oder mehrere Ströme von Gasbrennstoff, wobei sich der eine oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle zu einer Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken; einen Drallerzeuger, der den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle umgibt und der um die Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordnet ist, wobei der Drallerzeuger eine Mehrzahl von Drallerzeugerblättern und eine Mehrzahl von Luftkammern aufweist, die jeweils zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern ausgebildet sind; eine Mehrzahl von Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen, die jeweils in dem Drallerzeuger zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern ausgebildet sind; und eine Mehrzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem ersten Gasbrennstoffkanal zu einer der Luftkammern hin erstrecken und jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffkanäle kann sich von dem ersten Gasbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken.
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Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse von irgendeiner oben erwähnten Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse kann sich von einem ersten Gasbrennstoffkanal zu einer der Luftkammern hin erstrecken und jeder der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse kann sich von einem zweiten Gasbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstecken.
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Die Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse irgendeiner oben erwähnten Ausführung kann ferner einen Flüssigbrennstoffkanal und einen Flüssigbrennstoffauslass für einen Flüssigbrennstoffstrom aufweisen, wobei sich der Flüssigbrennstoffkanal zu der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse hin erstrecken kann und wobei der Flüssigbrennstoffauslass um die Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordnet sein kann.
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Diese und andere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patents werden für einen Fachmann durch das Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verständlich werden, wenn diese in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen gebracht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbine enthaltend einen Kompressor, eine Brennkammereinrichtung und eine Turbine.
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2 ist eine Seitenansicht eines Beispiels einer Brennkammer wie sie in 1 veranschaulicht ist.
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3 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffdüse, die in der Brennkammereinrichtung aus 2 verwendet werden kann.
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4 ist eine Draufsicht von vorne auf die Brennstoffdüse nach 3.
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5 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffdüse wie sie hierin beschrieben wird.
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6 ist eine Draufsicht von vorne auf die Brennstoffdüse nach 5.
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7 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Brennstoffdüse wie sie hierin beschrieben wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen durchgängig durch die verschiedenen Ansichten auf gleiche Elemente verweisen, zeigt 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbine 10, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Gasturbine 10 kann einen Kompressor 15 aufweisen. Der Kompressor 15 komprimiert einen eingehenden Luftstrom 20. Der Kompressor 15 liefert einen komprimierten Luftstrom zu einer Brennkammereinrichtung 25. Die Brennkammereinrichtung 25 mischt den komprimierten Luftstrom 20 mit einem unter Druck stehenden Brennstoffstrom 30 und zündet das Gemisch um einen Verbrennungsgasstrom 35 zu erzeugen. Auch wenn nur eine einzige Brennkammereinrichtung 25 veranschaulicht ist, kann die Gasturbine 10 irgendeine Anzahl von Brennkammereinrichtung 25 aufweisen. Der Verbrennungsgasstrom 35 wird wiederum einer Turbine 40 zugeführt. Der Verbrennungsgasstrom 35 treibt die Turbine 40 an, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Die in der Turbine 40 erzeugte mechanische Arbeit treibt den Kompressor 15 und eine externe Last 50, wie etwa einen elektrischen Generator oder dergleichen, über eine Welle 45 an. Andere Konfigurationen und andere Komponenten können hierin verwendet werden.
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Die Gasturbine 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas und/oder andere Arten von Brennstoffen verwenden. Die Gasturbine 10 kann irgendeine von einer Anzahl von verschiedenen Gasturbinen sein, die durch die General Electric Company in Schenectady, New York, angeboten werden, enthaltend aber nicht beschränkt auf solche eine Serie 7 oder einer Serie 9 Schwerlastgasturbinen oder dergleichen. Die Gasturbine 10 kann verschiedene Konfigurationen aufweisen und kann andere Arten von Komponenten verwenden. Andere Arten von Gasturbinen können hierin ebenfalls verwendet werden. Eine Mehrzahl von Gasturbinen, andere Arten von Gasturbinen und andere Arten von Stromerzeugungseinrichtungen können hierin auch zusammen verwendet werden.
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2 zeigt ein Beispiel einer Brennkammereinrichtung 25, die mit der Gasturbine 10 oder dergleichen verwendet werden kann. Die Brennkammereinrichtung 25 kann darin eine Anzahl von Brennstoffdüsen 55 aufweisen. Jede der Brennstoffdüsen 55 kann den Luftstrom 20, den Brennstoffstrom 30 und optionale Ströme anderer Fluide für die Verbrennung darin leiten. Irgendeine Anzahl von Brennstoffdüsen kann in irgendeiner Konfiguration verwendet werden. Die Brennstoffdüsen 55 können an einer Endabdeckung 60 benachbart zu einem Kopfende 65 der Brennkammereinrichtung 25 befestigt sein. Die Ströme der Luft 20 und des Brennstoffs 30 können durch die Endabdeckung 60 und das Kopfende 65 in jede der Brennstoffdüsen 55 gelenkt werden, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch stromabwärts davon abzugeben.
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Die Brennkammereinrichtung 25 kann darin auch eine Brennkammer 70 aufweisen. Die Brennkammer 70 kann durch ein Brennkammergehäuse 75, eine Brennkammerummantelung 80, eine Strömungshülse 85 und dergleichen gebildet sein. Die Ummantelung 80 und die Strömungshülse 85 können koaxial zueinander angeordnet sein, um einen Luftkanal 90 für das Hindurchströmen von Luft 20 zu bilden. Die Brennkammer 70 kann zu einem stromabwärtsseitigen Übergangsstück 95 führen. Die Ströme der Luft 20 und des Brennstoffs 30 können sich stromabwärts der Brennstoffdüse 55 zur Verbrennung in der Brennkammer 70 mischen. Der Verbrennungsgasstrom 35 kann dann über das Übergangsstück 95 zu der Turbine 40 gelenkt werden, um dort verwendbare Arbeit zu erzeugen. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin auch verwendet werden.
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Die 3 und 4 zeigen ein Beispiel der Brennstoffdüse 55, das mit der Brennkammereinrichtung 25 und dergleichen verwendet werden kann. Die Brennstoffdüse 55 kann eine Diffusionsbrennstoffdüse 100 sein. Genauer kann die Brennstoffdüse 55 eine duale Brennstoffdüse 105 sein. Dies vorausgesetzt kann der Brennstoffstrom 30 einen oder mehrere Ströme eines Gasbrennstoffs 110, wie etwa Erdgas und einen oder mehrere Ströme eines Flüssigbrennstoffs 150, wie etwa ein Synthesegas oder dergleichen aufweisen. Andere Typen von Brennstoffströmen und andere Arten von Kombinationen von Brennstoffströmen können hierin verwendet werden.
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Die Brennstoffdüse 55 kann ein äußeres Rohr 120 aufweisen. Das äußere Rohr 120 kann zu einer Stromabwärtsseite 125 mit einem Brennstoffdüsenmundstück 130 führen. Das äußere Rohr 120 kann darin eine Anzahl von Brennstoff-, Luft- und Wasserkanälen aufweisen. Insbesondere können sich eine Anzahl von Gasbrennstoffkanälen 135 durch das äußere Rohr 120 erstrecken und können axial um die Stromabwärtsseite 125 angeordnet sein. Die Gasbrennstoffkanäle 135 können in Verbindung mit dem Gasbrennstoffstrom 110 stehen. Eine Anzahl von Mundstückauslässen 140 kann sich auch durch das äußere Rohr 120 erstrecken und kann um das Brennstoffdüsenmundstück 130 angeordnet sein. Die Mundstückauslässe 140 können einen Flüssigbrennstoffauslass 145 enthalten, der in Verbindung mit einem Flüssigbrennstoffstrom 115 steht. Die Mundstückauslässe 140 können auch einen in Verbindung mit einem Zerstäuberluftstrom stehenden Zerstäuberluftauslass 150 sowie einen in Verbindung mit einem Wasserstrom stehenden Wasserauslass 155 aufweisen. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin verwendet werden.
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Ein Drallerzeuger 160 kann um die Stromabwärtsseite 125 der Brennstoffdüse 55 angeordnet sein. Der Drallerzeuger 160 kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern 165 aufweisen. Die Drallerzeugerblätter 165 können eine Anzahl von Luftkammern 170 bilden. Die Luftkammern 170 können in Fluidkommunikation mit dem Luftstrom 20 von der Endabdeckung 60 stehen. Eine Anzahl von Gasbrennstoffanschlüssen 175 kann sich von den Gasbrennstoffkanälen 135 zu den Luftkammern 170 erstrecken, um zumindest einen Teil des Gasbrennstoffstroms 110 abzuführen und abzuleiten. Der Luftstrom 20 und der Gasbrennstoffstrom 110 können sich daher am Drallerzeuger 160 für die Verbrennung innerhalb der stromabwärts angeordneten Brennkammer 70 zu mischen. Allgemein beschrieben, strömt der gesamte Luftstrom 120 daher durch die Luftkammern 170 des Drallerzeugers 160 als Drallerzeugerstrom 180. Ein Kragen 185 kann den Drallerzeuger 160 umschließen. Ein Konusteil (nicht dargestellt) kann sich von der Brennstoffdüse 55 zu der Ummantelung 80 erstrecken. Andere Arten von Brennstoffdüsen 55 und andere Arten von Brennkammereinrichtungen 25 können hierin mit verschiedenen Brennstoffarten verwendet werden. Gleichermaßen können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
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Die 5 und 6 zeigen eine Brennstoffdüse 200, wie sie hierin beschrieben werden kann. Die Brennstoffdüse 200 kann eine Diffusionsdüse mit wenig bis keiner stromaufwärtsseitigen Brennstoff-Luft-Vormischung sein. Die Brennstoffdüse 200 kann eine duale Brennstoffdüse 205 zur Verwendung mit sowohl einem Gasbrennstoffstrom 210 und einem Flüssigbrennstoffstrom 215 sein. Andere Arten von Strömen können hierin verwendet werden. In einer Weise, die vergleichbar ist mit der oben beschriebenen, weist die Brennstoffdüse 200, eine Stromabwärtsseite 225, ein Brennstoffdüsenmundstück 230 und einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle 235 auf, die sich durch die Brennstoffdüse 220 erstrecken. Die Gasbrennstoffkanäle 235 können sich zu der Stromabwärtsseite 225 hin erstrecken. Die Brennstoffdüse 200 kann auch eine Anzahl von Mundstückauslässen 240 aufweisen. Die Mundstückauslässe 240 können um das Brennstoffdüsenmundstück 230 um die Stromabwärtsseite 225 angeordnet sein. Die Brennstoffdüse 200 kann auch einen oder mehrere Flüssigbrennstoffkanäle 242 aufweisen und die Mundstückauslässe 240 können einen oder mehrere Flüssigbrennstoffauslässe 245 aufweisen, entsprechend dem einen oder den mehreren Flüssigbrennstoffkanälen 242. Die Mundstückauslässe 240 können auch Auslässe für Zerstäubungsluft, Wasser und dergleichen aufweisen. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin auch verwendet werden.
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Die Brennstoffdüse 200 kann einen um deren Stromabwärtsseite 225 angeordneten Drallerzeuger 260 aufweisen. Der Drallerzeuger 260 umgibt das Brennstoffdüsenmundstück 230. Der Drallerzeuger 260 kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern 265 aufweisen, die eine Anzahl von hindurchgehenden Luftkammern 270 bilden. Die Drallerzeugerblätter 265 und die Luftkammern 270 können irgendeine Größe, Form oder Konfiguration aufweisen. Irgendeine Anzahl von Drallerzeugerblättern 265 und Luftkammern 270 kann hierin verwendet werden. Eine Anzahl von Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen 275 kann in den Drallerzeuger 260 gebildet sein. Die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 können sich von den Gasbrennstoffkanälen 235 zu den Luftkammern 270 erstrecken, um zumindest einen Teil des hindurchgehenden Gasbrennstoffstroms 210 abzuführen und abzugeben. Jeder der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 kann in dem Drallerzeuger 62 zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern 265 und stromaufwärts der Stromabwärtsseite 225 der Düse 200 ausgebildet sein. Ein Lufteinlass 277 kann am stromaufwärtsseitigen Ende des Drallerzeugers 260 in Kommunikation mit dem Luftstrom 20 von der Endabdeckung 60 stehen. In einer Weise, die vergleichbar ist zu der oben beschriebenen, tritt der Luftstrom 20 in den Lufteinlass 277 ein und strömt als Drallerzeugerstrom 280 durch die Luftkammern 270. Der Lufteinlass 277 kann irgendeine Größe, Form oder Konfiguration aufweisen. Zusätzlich kann ein Kragen 285 den Drallerzeuger 260 umschließen und ein Konusteil (nicht dargestellt) kann sich von der Brennstoffdüse 200 zu der Ummantelung 80 erstrecken. Die Brennstoffdüse 200 kann auch eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffauslässen 290 aufweisen, die in der Stromabwärtsseite 225 der Brennstoffdüse 200 ausgebildet sind. Die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffauslässe 290 können sich von einem der Gasbrennstoffkanäle 235 zu der Stromabwärtsseite 225 der Brennstoffdüse 200 hin erstrecken, um zumindest einen Teil des hindurchtretenden Gasbrennstoffstromes 210 abzuführen und abzugeben. Die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 können parallel zu einer Achse der Brennstoffdüse 200 sein. Alternativ können die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 relativ zu der Achse der Brennstoffdüse 200 geneigt sein. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin auch verwendet werden.
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Im Betrieb gelangt zumindest ein erster Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 durch einen der Gasbrennstoffkanäle 235, durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und in die Luftkammern 270 des Drallerzeugers 260 hinein. Zumindest ein zweiter Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 gelangt durch einen der Gasbrennstoffkanäle 235, durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 und aus der Brennstoffdüse 200 in die Brennkammer 70 hinein. Gleichermaßen gelangt der Flüssigbrennstoffstrom 215, der Zerstäuberluftstrom und der Wasserstrom durch die Mundstückauslässe 240 und aus der Brennstoffdüse 200 in die Brennkammer 70 hinein. Der Luftstrom 20 gelangt durch die Lufteinlässe 277 des Drallerzeugers 260 und als Drallerzeugerstrom 280 in die Luftkammern 270 hinein. Der erste Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 und der Drallerzeugerstrom 280 beginnen sich in den Luftkammern 270 des Drallerzeugers 260 zu mischen, um einen gemischten Brennstoff-Luft-Strom zu erzeugen, der in die Brennkammer 70 hineingelangt. Dementsprechend erhält die Brennkammer 70 den gemischten Brennstoff-Luft-Strom von dem Drallerzeuger 260 und den zweiten Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 von den stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffauslässen 290 zur Verbrennung in der Brennkammer 70.
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Die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitige Gasbrennstoffanschlüsse 290 können, wie in 5 veranschaulicht, in Fluidverbindung mit demselben Gasbrennstoffkanal 235 stehen. Dementsprechend würde durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 dieselbe Art von Gasbrennstoff hindurchgelangen, wodurch der gemischte Brennstoff-Luft-Strom des Drallerzeugers 260 und der zweite Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 von den stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffabschlüssen 290 gebildet wird. Auf diese Weise können die Gasbrennstoffkanäle 235 Gasbrennstoff von einer herkömmlichen Brennstoffquelle an die Drallerzeugerbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 abgeben. Wie oben erläutert, kann die Düse 200 auch einen Flüssigbrennstoffkanal 242 und einen Flüssigbrennstoffauslass 245 für den Durchlass eines Flüssigbrennstoffstroms 215 aufweisen, so dass die Düse 200 als Dualbrennstoffdüse arbeitet.
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Alternativ, wie in 7 veranschaulicht, können die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 in Fluidverbindung mit verschiedenen Gasbrennstoffkanälen 235 stehen. Beispielsweise können die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 in Fluidverbindung mit einem ersten Gasbrennstoffkanal 292 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 können in Fluidverbindung mit einem zweiten Gasbrennstoffkanal 294 stehen. Wie veranschaulicht, ist der erste Gasbrennstoffkanal 292 getrennt vom und daher nicht in Fluidverbindung mit dem zweiten Gasbrennstoffkanal 294. Auf diese Weise kann eine erste Art von Gasbrennstoff von einer ersten Brennstoffquelle durch den ersten Gasbrennstoffkanal 292 und durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 abgegeben werden, während eine zweite Art von Gasbrennstoff von einer zweiten Brennstoffquelle durch den zweiten Gasbrennstoffkanal 294 und durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 abgegeben werden kann, so dass die Düse 200 als Dualbrennstoffdüse arbeitet. Außerdem kann die Düse 200 auch einen Flüssigbrennstoffstrom 215 aufweisen, so dass die Düse 200 als Trialbrennstoffdüse arbeitet.
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Im Betrieb können die unterschiedlichen Brennstoffströme durch die Düse 200 entsprechend dem Betriebsmodus der Gasturbine 10 variiert werden. Beispielsweise kann die Dualbrennstoffdüse 200, wie in Figur veranschaulicht, beim Anlauf oder bei Niedriglastzuständen betrieben werden, indem der Flüssigbrennstoffstrom 215 durch den Flüssigbrennstoffauslass 245 in die Brennkammer 70 eintritt, während kein Gasbrennstoff durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 oder die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchgeführt wird. Im Unterschied dazu kann die Dualbrennstoffdüse 200 bei Basislastzuständen betrieben werden, indem der Gasbrennstoffstrom 210 durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchgeführt wird. Das Verhältnis der Fläche der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 zu der Fläche der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 kann so gewählt werden, dass optimale Emissionen, eine optimale Spanne der Magergasabgabe („lean blowout LBO“), eine optimale Dynamik, ein optimales Ausgangsprofil und optimale Metalltemperaturen erreicht werden.
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Als weiteres Beispiel kann die Trialbrennstoffdüse 200, wie in 7 veranschaulicht, beim Anlauf oder bei Niedriglastzuständen betrieben werden, indem der Flüssigbrennstoffstrom 250 durch den Flüssigbrennstoffauslass 245 und in die Brennkammer 70 eintritt, während kein Gasbrennstoff durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 oder die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchtritt. Alternativ kann die Trialbrennstoffdüse 200 beim Anlauf oder bei Niedriglastzuständen betrieben werden, indem der erste Gasbrennstoff durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 hindurchtritt, während kein Brennstoff durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 oder den Flüssigbrennstoffauslass 245 hindurchtritt. Im Unterschied dazu kann die Trialbrennstoffdüse 200 bei Basislastzuständen betreiben werden, indem der erste Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und der zweite Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchtritt, während kein Brennstoff durch die Flüssigbrennstoffauslässe 245 hindurchtritt. Das Verhältnis der Fläche der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 gegenüber der Fläche der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 kann so gewählt werden, dass optimale Emissionen, eine optimale LBO-Spanne, eine optimale Dynamik, ein optimales Ausgangsprofil und optimale Metalltemperaturen erreicht werden.
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Wenn ein Gasbrennstoffstrom 210 sowohl durch die Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und die stromabwärtsseitigen Brennstoffanschlüsse 290 hindurchtritt, wird vermieden, dass der gemischte Brennstoff-Luft-Strom und/oder der Verbrennungsgasstrom 35 in eine Rezirkulationszone um die Brennstoffdüse 200 mitgenommen wird. Die Konfiguration der Brennstoffanschlüsse 275, 290 begrenzt daher NOx-Emissionen und dergleichen. Dementsprechend erzeugt die Brennstoffdüse 200 ein unerwartetes Resultat in Bezug auf Emissionen, da allgemein anerkanntes Fachwissen lehrt, dass eine Reduktion der Brennstoff-Luft-Vormischung zu erhöhten Emissionen führt. Mit anderen Worten, wird dadurch, dass ein Anteil des Gasbrennstoffstromes 210 durch die stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290 hindurchgeführt und somit dieser Anteil nicht mit dem Luftstrom 20 vorgemischt wird, die NOx-Emissionen der Brennstoffdüse 200 unerwartet reduziert, obwohl das Maß der in der Brennstoffdüse 200 ausgeführten Vormischung reduziert ist. Außerdem kann die Reduktion der Vormischung die Verbrennungsstromtemperaturen reduzieren und somit die Lebensdauer der Ummantelung 80 und anderer Komponenten in dem Heißgaspfad erhöhen. Das Verhältnis von Wasser gegenüber Brennstoff kann als Ergebnis der Konfiguration der Brennstoffanschlüsse 275, 290 reduziert werden.
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Die hierin beschriebene Brennstoffdüse 200 begrenzt somit Erdgasemissionen, während eine weite Brennstoffflexibilität zur Verfügung gestellt wird. Verglichen mit dem herkömmlichen Ansatz des Erhöhens der Brennstoff-Luft-Vormischung, reduziert die hierin beschriebene Brennstoffdüse 200 sogar die Vormischung, um die Gesamt-NOx-Emissionen zu verbessern. Dieser nicht intuitive Ansatz der Verringerung der Brennstoff-Luft-Vormischung unterscheidet sich von derart herkömmlichen Brennstoffdüsengestaltungen und Betriebstheorien. Die Verwendung der Drallerzeugergasbrennstoffanschlüsse 275 und der stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüsse 290, wie er hierin beschrieben ist, verbessert somit die Emissionen und die Gesamtlebensdauer der Komponenten.
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Es sollte verständlich sein, dass das vorstehende sich nur auf bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patents bezieht. Zahlreiche Änderungen und Modifikationen können hierin durch einen Fachmann ausgeführt werden, ohne von dem allgemeinen Gedanken und dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche und die Äquivalente davon definiert ist.
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Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse für eine Gasturbine zur Verfügung. Die Brennstoffdüse kann einen oder mehrere Gasbrennstoffkanäle für einen oder mehrere Gasbrennstoffströme, einen den einen oder die mehreren Gasbrennstoffkanäle umgebenden und um eine Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse angeordneten Drallerzeuger, eine Anzahl von dem in den Drallerzeuger ausgebildeten Drallerzeugergasbrennstoffanschlüssen und eine Anzahl von stromabwärtsseitigen Gasbrennstoffanschlüssen aufweisen, die in der Stromabwärtsseite der Brennstoffdüse ausgebildet sind. Der Drallerzeuger kann eine Anzahl von Drallerzeugerblättern und eine Anzahl von Luftkammern aufweisen, die zwischen benachbarten Drallerzeugerblättern ausgebildet sind. Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen ferner ein Verfahren zum Betrieb eine Diffusionsbrennkammereinrichtungsbrennstoffdüse einer Gasturbine bereit.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 15
- Kompressor
- 20
- Luftstrom
- 25
- Brennkammereinrichtung
- 30
- Brennstoffstrom
- 35
- Verbrennungsgase
- 40
- Turbine
- 45
- Welle
- 50
- Externe Last
- 55
- Brennstoffdüse
- 60
- Endabdeckung
- 65
- Kopfende
- 70
- Brennkammer
- 75
- Brennkammergehäuse
- 80
- Brennkammerummantelung
- 85
- Strömungshülse
- 90
- Luftkanal
- 95
- Übergangsstück
- 100
- Diffusionsbrennstoffdüse
- 105
- Dualbrennstoffdüse
- 110
- Gasbrennstoffstrom
- 115
- Flüssigbrennstoffstrom
- 120
- Äußeres Rohr
- 125
- Stromabwärtsseite
- 130
- Brennstoffdüsenmundstück
- 135
- Gasbrennstoffkanal
- 140
- Mundstückauslass
- 145
- Flüssigbrennstoffauslass
- 150
- Zerstäuberluftauslass
- 155
- Wasserauslass
- 160
- Drallerzeuger
- 165
- Drallerzeugerblätter
- 170
- Luftkammern
- 175
- Gasbrennstoffanschlüsse
- 180
- Drallerzeugerstrom
- 185
- Kragen
- 200
- Brennstoffdüse
- 205
- Dualbrennstoffdüse
- 210
- Gasbrennstoffstrom
- 215
- Flüssigbrennstoffstrom
- 225
- Stromabwärtsseite
- 230
- Brennstoffdüsenmundstück
- 235
- Gasbrennstoffkanal
- 240
- Mundstückauslass
- 242
- Flüssigbrennstoffkanal
- 245
- Flüssigbrennstoffauslass
- 260
- Drallerzeuger
- 265
- Drallerzeugerblätter
- 270
- Luftkammern
- 275
- Drallerzeugerbrennstoffanschlüsse
- 277
- Lufteinlass
- 280
- Drallerzeugerstrom
- 285
- Kragen
- 290
- Stromabwärtsseitige Gasbrennstoffanschlüsse
- 292
- Erster Gasbrennstoffkanal
- 294
- Zweiter Gasbrennstoffkanal
