DE102014112234A1

DE102014112234A1 - Zwei-Brennstoff-Brennkammer für Gasturbine

Info

Publication number: DE102014112234A1
Application number: DE102014112234.8A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey David Myers
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2015-03-05
Also published as: US20150059352A1; CH708575A2; JP2015049036A; US9416975B2; JP6466102B2

Abstract

Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen eine Zweistoffbrennkammer für eine Gasturbinenmaschine bereit. Die Brennkammer kann einen in einem Kopfsammelraum der Brennkammer positionierten primären Vormischer und ein in dem Kopfsammelraum und stromaufwärts von dem Vormischer positioniertes Zweistoffeinspritzsystem enthalten. Das Einspritzsystem kann zum Einspritzen eines Gasbrennstoffs um ein Einlassende des Vormischers herum eingerichtet sein, wenn die Brennkammer mit dem Gasbrennstoff arbeitet. Das Einspritzsystem kann auch zum Verdampfen und Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs um das Einlassende des Vormischers herum eingerichtet sein, wenn die Brennkammer mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet. Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen auch ein Verfahren zum Betreiben einer Zweistoffbrennkammer bereit.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent betreffen Gasturbinenmaschinen und betreffen insbesondere eine Zweistoffbrennkammer für eine Gasturbinenmaschine zur Steuerung regulierter Emissionen unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer akzeptablen Betriebsfähigkeit, wenn Gasbrennstoff oder Flüssigbrennstoff verbrannt wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Betriebswirkungsgrad und die Gesamtleistungsabgabe einer Gasturbinenmaschine nehmen zu, wenn die Temperatur des heißen Verbrennungsgasstroms zunimmt. Höhere Verbrennungsgasstromtemperaturen können jedoch größere Mengen an Stickstoffoxiden (NO_x) und andere Arten von regulierten Emissionen erzeugen. Es liegt somit ein Balanceakt vor zwischen dem Vorteil eines Betriebs der Gasturbinenmaschine in einem effizienten Hochtemperaturbereich, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Abgabe von Stickstoffoxid und anderen Arten regulierter Emissionen unter vorgeschriebenen Mengen bleiben. Ferner können variierende Lastpegel, variierende Umgebungsbedingungen und viele andere Arten von Betriebsparametern und Auslegungserfordernissen ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad und die Emissionen der Gasturbinenmaschine haben.
Geringere Emissionsmengen von Stickstoffoxiden und dergleichen können durch die Vermischung des Brennstoffstroms und des Luftstroms vor der Verbrennung begünstigt werden. Eine derartige Vorvermischung hat die Tendenz, die Verbrennungstemperaturgradienten und die Abgabe von Stickstoffoxiden zu reduzieren. Bestimmte Brennkammern können einen stromaufwärts von einer Verbrennungszone positionierten und zum Mischen wenigstens von Teilen des Brennstoffstroms und des Luftstroms vor der Verbrennung eingerichteten Vormischer enthalten. Gemäß einer bekannten Vormischeranordnung kann eine Brennkammer einen Mikromischer mit einer Anordnung kleiner Rohre haben, die in einem Sammelraum dergestalt angeordnet sind, dass jedes Rohr kleine Volumina des Brennstoffstroms und des Luftstroms stromaufwärts vor der Verbrennungszone vermischt.
In vielen Gasturbinenmaschinenanwendungen kann es erwünscht sein, eine Brennkammer zu haben, die in der Lage ist, entweder mit Gasbrennstoff, wie z.B. Erdgas oder Synthesegas oder Flüssigbrennstoff, wie z.B. Dieselbrennstoff, Kerosin, Ethanol oder einem Wasserölgemisch zu arbeiten. Eine derartige Brennstoffflexibilität erfordert jedoch oft komplexe und teure Brennstoffeinspritzsysteme, die die Betriebsfähigkeit oder das Betriebsverhalten beeinträchtigen können, wenn mit dem einen Brennstofftyp oder dem anderen gearbeitet wird. Ferner kann die Anpassung derartiger Brennstoffeinspritzsysteme zum Arbeiten in Verbindung mit einem Vormischer, wie z.B. einem Mikromischer, erhebliche Herausforderungen in der Brennstoffeinspritzung sowie in der Beibehaltung von Stickstoffoxiden und anderen Arten regulierter Emissionen unter vorgeschriebenen Mengen darstellen. Da Flüssigbrennstoffe bis zu 50-mal dichter als Gasbrennstoffe sein können, müssen die Einspritzöffnungen und die zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff in jedes Rohr erforderlichen Brennstoffzuführungsnetzwerke des Mikromischers wesentlich kleiner und komplexer als die sein, die typischerweise zur Einspritzung von Gasbrennstoff in einer ähnlichen Weise verwendet werden. Da jedoch Flüssigbrennstoffe zu thermischer Zersetzung oder Verkoken in den Brennstoffkanälen bei höheren Temperaturen (z.B. 143°C (290 °F)) neigen, können die Brennstoffzuführungsnetze nach nur wenigen Minuten einer Zuführung von Flüssigbrennstoff zu dem Mikromischer verkoken.
Bestimmte Zweistoffbrennkammern können so eingerichtet sein, dass sie Gasbrennstoff in die Brennkammer während eines Betriebsmodus einspritzen und dass sie Flüssigbrennstoff in die Brennkammer während eines anderen Betriebsmodus einspritzen und verdampfen. Eine derartige Einspritzung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs kann jedoch zu einem erhöhten Risiko von Selbstentzündung, Kohlenstoffausbildung, Flammenrückschlag und Flammenhaltung an dem Kopfende der Brennkammer führen. Gemäß einer bekannten Brennkammergestaltung können Modifikationen an dem Einspritzsystem um diese Risiken anzugehen, die Fähigkeit zum Verbrennen von Gasbrennstoff mit akzeptabler Betriebsfähigkeit negativ beeinflussen. Gemäß einer weiteren bekannten Brennkammeranordnung kann der Flüssigbrennstoff außerhalb der Brennkammer in einem Hilfsdampferzeugungssystem verdampft und dann in die Brennkammer durch das Gasbrennstoffeinspritzsystem eingespritzt werden. Das Dampferzeugungssystem kann große Mengen an inertem Gas, wie z.B. Stickstoff, erfordern und kann letztlich parasitäre Lasten, Komplexität und Kosten der gesamten Gasturbinenmaschine erhöhen. Weitere Zweistoffbrennkammern können so eingerichtet sein, dass sie Brennstoff in eine sekundäre Verbrennungsstufe einspritzen und somit nicht mit einem primären Brennstoffvormischer, wie z.B. einem Mikromischer in einer primären Verbrennungsstufe, kompatibel werden. Demzufolge können derartige Brennkammern Herausforderungen bei der Beibehaltung von Stickstoffoxiden und anderen Arten regulierter Emissionen unterhalb vorgeschriebenen Mengen darstellen. Noch weitere Zweistoffbrennkammern können dafür eingerichtet sein, Flüssigbrennstoff in der Verbrennungszone zu verdampfen, was ebenfalls nicht mit einem primären Brennstoffvormischer kompatibel wäre und Herausforderungen bei der Emissionssteuerung darstellen könnte.
Es besteht somit ein Wunsch nach einer verbesserten Zweistoffbrennkammer, die dafür eingerichtet ist, Gasbrennstoff in dem Brennkammer während eines Betriebsmodus einzuspritzen und Flüssigbrennstoff in die Brennkammer während eines anderen Betriebsmodus einzuspritzen. Insbesondere sollte eine derartige Brennkammer die Risiken der Selbstzündung, Kohlenstoffausbildung, Rückzündung und Flammenhaltung angehen, während gleichzeitig eine akzeptable Betriebsfähigkeit bereitgestellt wird, wenn Gasbrennstoff oder Flüssigbrennstoff verbrannt wird. Ferner sollte eine derartige Brennkammer ein Brennstoffeinspritzsystem enthalten, das zu einem primären Brennstoffvormischer kompatibel ist und regulierte Emissionen unter vorgeschriebenen Mengen hält, während gleichzeitig Kosten und Komplexität der Gesamtgasturbinenmaschine minimiert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent betreffen somit eine Zweistoffbrennkammer für eine Gasturbinenmaschine. Die Brennkammer kann einen in einem Kopfsammelraum der Brennkammer positionierten primären Vormischer und ein in dem Kopfsammelraum und stromaufwärts von dem Vormischer positioniertes Zweistoffeinspritzsystem enthalten. Das Einspritzsystem kann zum Einspritzen eines Gasbrennstoffs um ein Einlassende des Vormischers herum eingerichtet sein, wenn die Brennkammer mit dem Gasbrennstoff arbeitet. Das Einspritzsystem kann auch zum Verdampfen und Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs um das Einlassende des Vormischers herum eingerichtet sein, wenn die Brennkammer mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet.
Der Vormischer der vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann einen Mikromischer aufweisen, der mehrere um wenigstens ein Brennstoffrohr herum positionierte Mikromischerrohre aufweist.
Das Einspritzsystem jeder vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann wenigstens einen Ringeinspritzverteiler aufweisen, der sich um einen Umfang des Vormischers herum erstreckt.
Der Ringeinspritzverteiler jeder vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann eine Innenhülse und eine die Innenhülse umgebende Außenhülse aufweist, wobei die Innenhülse zur Aufnahme eines Stroms des Flüssigbrennstoffs darin eingerichtet ist, und wobei die Außenhülse für die Leitung eines Luftstroms gegen die Innenhülse dergestalt eingerichtet ist, dass der Flüssigbrennstoff in der Innenhülse verdampft.
Die Außenhülse jeder vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann mehrere Löcher aufweisen, die sich dadurch hindurch erstrecken und dafür eingerichtet sind, einen Luftstrom gegen die Innenhülse zu leiten.
Die Außenhülse jeder vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann den Ringeinspritzverteiler in dem Kopfsammelraum unterstützen.
Die Innenhülse jeder vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann einen sich entlang eines Umfangs der Innenhülse erstreckenden Einlass, einen sich entlang einem gegenüberliegenden Umfang der Hülse erstreckenden Auslass und einen zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckenden Umfangsschild aufweisen.
Das Einspritzsystem jeder vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann einen Außenringeinspritzverteiler aufweisen, der sich um einen Außenumfang des Vormischers erstreckt und dafür eingerichtet ist, den Gasbrennstoff oder den Flüssigbrennstoff radial um das Einlassende des Vormischers herum nach innen gerichtet einzuspritzen.
Das Einspritzsystem jeder vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann einen Innenringeinspritzverteiler aufweisen, der sich um einen Innenumfang des Vormischers erstreckt und dafür eingerichtet ist, den Gasbrennstoff oder den Flüssigbrennstoff radial um das Einlassende des Vormischers herum nach außen gerichtet einzuspritzen.
Das Einspritzsystem jeder vorstehend erwähnten Zweistoffbrennkammer kann einen Innenringeinspritzverteiler und einen Außenringeinspritzverteiler aufweisen, und wobei ein Brennstoffaufteilungsverhältnis zwischen dem Innenringeinspritzverteiler und dem Außenringeinspritzverteiler etwa 4:1 ist.
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen auch ein Verfahren zum Betreiben einer Zweistoffbrennkammer bereit. Das Verfahren kann die Schritte der Leitung eines Luftstroms in ein in einem Kopfsammelraum der Brennkammer positioniertes Zweistoffeinspritzsystem und der Leitung eines Flüssigbrennstoffstroms in das Einspritzsystem Zweistoffeinspritzsystem beinhalten. Das Verfahren kann auch die Schritte der Verdampfung des Flüssigbrennstoffstroms in dem Einspritzsystem und der Einspritzung des Stroms von verdampftem Brennstoff um ein Einlassende eines primären Vormischers herum beinhalten.
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen ferner auch ein Gasturbinenmaschinensystem bereit. Das System kann einen Verdichter, eine Zweistoffbrennkammer in Verbindung mit dem Verdichter und eine Turbine in Verbindung mit der Brennkammer enthalten. Die Brennkammer kann einen in einem Kopfsammelraum der Brennkammer positionierten primären Vormischer und ein in dem Kopfsammelraum und stromaufwärts von dem Vormischer positioniertes Zweistoffeinspritzsystem enthalten. Das Einspritzsystem kann dafür eingerichtet sein, Gasbrennstoff um ein Einlassende des Vormischers herum einzuspritzen, wenn die Brennkammer mit dem Gasbrennstoff arbeitet. Das Einspritzsystem kann auch dafür eingerichtet sein, einen Flüssigbrennstoff zu verdampfen und um das Einlassende des Vormischers herum einzuspritzen, wenn die Brennkammer mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet.
Der Vormischer des vorstehend erwähnten Systems kann einen Mikromischer aufweisen, der mehrere um wenigstens ein Brennstoffrohr herum positionierte Mikromischerrohre aufweist.
Der Ringeinspritzverteiler jedes vorstehend erwähnten Systems kann wenigstens einen sich um einen Umfang des Vormischers herum erstreckenden Ringeinspritzverteiler aufweisen.
Der Ringeinspritzverteiler jedes vorstehend erwähnten Systems kann eine Innenhülse und eine die Innenhülse umgebende Außenhülse aufweisen, wobei die Innenhülse dafür eingerichtet ist, einen Strom des Flüssigbrennstoffs darin aufzunehmen, und die Außenhülse dafür eingerichtet sein kann, einen Luftstrom gegen die Innenhülse dergestalt zu leiten, dass der Flüssigbrennstoff in der Innenhülse verdampft.
Die Außenhülse jedes vorstehend erwähnten Systems kann mehrere Löcher aufweisen, die sich dadurch hindurch erstrecken und dafür eingerichtet sind, den Luftstrom gegen die Innenhülse zu leiten.
Die Innenhülse jedes vorstehend erwähnten Systems kann einen sich entlang eines Umfangs der Innenhülse erstreckenden Einlass, einen sich entlang eines gegenüberliegenden Umfangs der Innenhülse erstreckenden Auslass und einen sich zwischen dem Einlass und den Auslass erstreckenden Umfangsschild aufweisen.
Das Einspritzsystem jedes vorstehend erwähnten Systems kann einen Außenringeinspritzverteiler aufweisen, der sich um einen Außenumfang des Vormischers erstreckt und dafür eingerichtet ist, den Gasbrennstoff oder den Flüssigbrennstoff radial nach innen gerichtet um das Einlassende des Vormischers herum einzuspritzen.
Einspritzsystem jedes vorstehend erwähnten Systems kann einen Innenringeinspritzverteiler aufweisen, der sich um einen Innenumfang des Vormischers erstreckt und dafür eingerichtet ist, den Gasbrennstoff oder den Flüssigbrennstoff radial nach außen gerichtet um das Einlassende des Vormischers herum einzuspritzen.
Das Einspritzsystem jedes vorstehend erwähnten Systems kann einen Innenringeinspritzverteiler und einen Außenringeinspritzverteiler aufweisen, und wobei ein Brennstoffaufteilungsverhältnis zwischen dem Innenringeinspritzverteiler und dem Außenringeinspritzverteiler etwa 4:1 ist.
Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des sich daraus ergebenden Patentes werden für den Fachmann nach Durchsicht der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine enthaltenden Gasturbinenmaschine.
2 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer Brennkammer, wie sie bei der Gasturbinenmaschine von 1 verwendet werden kann, wobei die Brennkammer einen primären Vormischer aufweist.
3 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer Zweistoffbrennkammer, wie sie hierin beschrieben und in der Gasturbinenmaschine von 1 verwendet werden kann, wobei die Zweistoffbrennkammer einen primären Vormischer und ein Zweistoffeinspritzsystem enthält.
4 ist eine detaillierte Querschnittsansicht eines Abschnittes eines Ringeinspritzverteilers des Zweistoffeinspritzsystems von 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In den Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbinenmaschine 10 dar, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Gasturbinenmaschine 10 kann einen Verdichter 15 enthalten. Der Verdichter 15 verdichtet einen ankommenden Luftstrom 20. Der Verdichter 15 liefert den verdichteten Luftstrom 20 an eine Brennkammer 25. Die Brennkammer 25 vermischt den verdichteten Luftstrom 20 mit einem unter Druck stehenden Brennstoffstrom 30 und zündet das Gemisch, um einen Verbrennungsgasstrom 35 zu erzeugen. Obwohl nur eine Brennkammer 25 dargestellt ist, kann die Gasturbinenmaschine 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 25 enthalten. Der Verbrennungsgasstrom 35 wird wiederum an eine Turbine 40 geliefert. Der Verbrennungsgasstrom 35 treibt die Turbine 40 an, um so mechanische Arbeit zu erzeugen. Die in der Turbine 40 erzeugte mechanische Arbeit treibt den Verdichter 15 über eine Welle 45 und eine externe Last 50, wie z.B. einen elektrischen Generator und dergleichen, an. Weitere Anordnungen und andere Komponenten können hierin verwendet werden.
Die Gasturbinenmaschine 10 kann Erdgas, Flüssigbrennstoffe, verschiedene Arten von Synthesegas und/oder andere Arten von Brennstoffen und Kombinationen davon verwenden. Die Gasturbinenmaschine 10 kann irgendeine von einer Anzahl unterschiedlicher Gasturbinenmaschinen sein, die von General Electric Company of Schenectady, New York, angeboten werden, einschließlich, jedoch ohne Beschränkung darauf, solcher wie die einer Hochleistungsgasturbinenmaschine der Reihe 7 oder 9 und dergleichen. Die Gasturbinenmaschine 10 kann unterschiedliche Ausgestaltungen haben und kann andere Arten von Komponenten verwenden. Andere Arten von Gasturbinenmaschinen können ebenfalls hierin verwendet werden. Mehrfachgasturbinenmaschinen, andere Typen von Turbinen und andere Typen von Stromerzeugungseinrichtungen können ebenfalls hierin verwendet werden.
2 stellt eine Querschnittsseitenansicht eines Beispiels der Brennkammer 25 dar, wie sie in der vorstehend beschriebenen Gasturbinenmaschine 10 und dergleichen verwendet werden kann. Die Brennkammer kann sich von einem stromaufwärtigen oder Kopfende 52 zu einem stromabwärtigen oder an die Turbine 40 angrenzenden positionierten hinteren Ende 54 erstrecken. Die Brennkammer 25 kann eine an dem Kopfende 52 positionierte Endabdeckung 56 und eine Anzahl von um die Endabdeckung 56 herum positionierten Brennstoffdüsen 58 enthalten. Jede Anzahl von Brennstoffdüsen 58 kann in jeder Anordnung verwendet werden. Die Brennstoffdüsen 58 können mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffquelle in Fluidverbindung stehen, die den Brennstoffstrom 30 erzeugt. Gemäß Darstellung können die Brennstoffdüsen 58 an der Endabdeckung 56 befestigt sein und können sich stromabwärts davon zu einer Verbrennungszone 60 der Brennkammer 25 erstrecken. Die Brennkammer 25 kann auch einen sich von den stromabwärts liegenden Enden der Brennstoffdüse 58 zu einem in der Nähe des hinteren Endes 54 der Brennkammer 25 positionierten Übergangsstück 84 erstreckenden Einsatz 62 enthalten. Auf diese Weise kann der Einsatz 62 die Verbrennungszone darin definieren, und das Übergangsstück 64 kann eine Fluidverbindung zwischen der Verbrennungszone 60 und der Turbine 40 bereitstellen. Der Einsatz 62 kann von einer Strömungshülse 66 dergestalt umgeben sein, dass ein Strömungspfad 68 dazwischen für die Aufnahme eines Luftstroms definiert wird, wie z.B. des unter Druck stehenden Luftstroms 20 aus dem Verdichter 15.
Die Brennkammer 25 kann ferner einen primären Vormischer, wie z.B. einen Mikromischer 70, enthalten, der um die Brennstoffdüsen 58 herum und in einem Kopfsammelraum 72 der Brennkammer 25 stromaufwärts vor der Verbrennungszone 60 wie dargestellt enthalten, ist. Der Mikromischer 70 kann eine Anzahl von um eine oder mehrere Brennstoffrohre 76 herum positionierte Mikromischerrohre 74 enthalten. Die Mikromischerrohre 74 können im Wesentlichen gleichmäßige Durchmesser haben und können in ringförmigen konzentrischen Reihen angeordnet sein. Eine beliebige Anzahl von Mikromischerrohren 74 und den Brennstoffrohren 76 kann hierin in jeder Größe, Form oder Anordnung verwendet werden. Die Brennstoffrohre 76 können mit der Brennstoffquelle, die den Brennstoffstrom 30 erzeugt, in Fluidverbindung stehen und können so eingerichtet sein, dass sie einen kleinen Teil des Brennstoffstroms 30 in jedes von den Mikromischerrohren 74 liefern.
Während des Betriebs der Brennkammer 25 kann der Luftstrom 20 aus dem Verdichter 15 durch den Strömungspfad 68 und in den Kopfsammelraum 72 der Brennkammer 25 geleitet werden. Jede von den Brennstoffdüsen 58 kann einen Teil des Luftstroms 20, einen Teil des Brennstoffstroms 30 und optionale Ströme anderer Fluide in die Verbrennungszone 60 zur Vermischung und Verbrennung darin leiten. Unterdessen kann jedes von den Mikromischerrohren 74 einen kleinen Teil des Luftstroms 20 aus dem Strömungspfad 68 und einen kleinen Teil des Brennstoffstroms 30 aus dem Brennstoffrohr 76 zur Vermischung mit dem Mikromischerrohr 74 aufnehmen. Die vermischten Brennstoff/Luft-Ströme können aus dem Mikromischer 70 in die Verbrennungszone 60 zur Verbrennung darin übergehen. Der sich ergebende Verbrennungsgasstrom 35 kann dann durch das Übergangsstück 64 hindurch und in die Turbine 40 geleitet werden, um darin Nutzarbeit zu verrichten. Jede beliebige Anzahl von Brennkammern 25 kann in einer Rohr/Ring-Anordnung oder in anderen Anordnungen verwendet werden. Ferner dient die hierin beschriebene und dargestellte Brennkammer 25 nur dem Zweck eines Beispiels. Andere Komponenten enthaltende Brennkammern können ebenfalls hierin verwendet werden.
3 stellt eine Seitenquerschnittsansicht einer Ausführungsform einer Zweistoffbrennkammer 100 dar, wie sie hierin beschrieben werden kann. Die Brennkammer 100 kann in der vorstehend beschriebenen Gasturbinenmaschine 10 und dergleichen verwendet werden. Die Brennkammer 100 kann sich von einem stromaufwärtigen oder Kopfende 102 zu einem angrenzend an die Turbine 40 positionierten stromabwärtigen oder hinteren Ende 104 erstrecken. Die Brennkammer 100 kann eine an dem Kopfende 102 positionierte Endabdeckung 106 und eine Anzahl von um die Endabdeckung 106 herum positionierten Brennstoffdüsen 108 enthalten. Jede beliebige Anzahl von Brennstoffdüsen 108 kann in jeder Anordnung verwendet werden. Die Brennstoffdüsen 108 können mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffquelle in Fluidverbindung stehen, die den Brennstoffstrom 30 erzeugt. Gemäß Darstellung können die Brennstoffdüsen 108 an der Endabdeckung 106 befestigt sein und sich davon stromabwärts zu einer Verbrennungszone 110 der Brennkammer 100 erstrecken. Die Brennkammer 100 kann auch einen Einsatz 112 enthalten, der sich von den stromabwärtigen Enden der Brennstoffdüse 108 zu einem in der Nähe des hinteren Endes 104 der Brennkammer positionierten Übergangsstück 114 erstreckt. Auf diese Weise kann der Einsatz 112 die Verbrennungszone 110 darin definieren, und das Übergangsstück 114 kann eine Fluidverbindung zwischen der Verbrennungszone 110 und der Turbine 40 bereitstellen. Der Einsatz 112 kann von einer Strömungshülse 116 dergestalt umgeben sein, dass ein Strömungspfad 118 dazwischen zur Aufnahme eines Luftstroms, wie z.B. des verdichteten Luftstroms 20 aus dem Verdichter 15, dadurch definiert wird.
Die Brennkammer 100 kann ferner einen primären Vormischer, wie z.B. einen Mikromischer 120, enthalten, der gemäß Darstellung um die Brennstoffdüsen 108 herum und in einem Kopfsammelraum 122 der Brennkammer 100 stromaufwärts von der Verbrennungszone 110 positioniert ist. Der Mikromischer 120 kann eine Anzahl von um eines oder mehrere Brennstoffrohre 126 herum positionierte Mikromischerrohre 124 enthalten. Die Mikromischerrohre 124 können im Wesentlichen gleichmäßige Durchmesser haben und in ringförmigen konzentrischen Reihen angeordnet sein. Eine beliebige Anzahl der Mikromischerrohre 124 und der Brennstoffrohre 126 kann hierin in jeder Größe, Form oder Anordnung verwendet werden. Die Brennstoffrohre 126 können mit der Brennstoffquelle in Fluidverbindung stehen, die den Brennstoffstrom 30 erzeugt, und da für eingerichtet sein kann, einen kleinen Teil des Brennstoffstroms 30 in jedes von den Mikromischerrohren 124 zu liefern.
Gemäß Darstellung in 3 kann die Brennkammer 100 ein in dem Kopfsammelraum 122 und stromaufwärts von dem Mikromischer 120 positioniertes Zweistoffeinspritzsystem 130 enthalten. Das Zweistoffeinspritzsystem 130 kann mit der Brennstoffquelle, die den Brennstoffstrom 30 erzeugt und zum Einspritzen von Gasbrennstoff oder Flüssigbrennstoff in die Brennkammer 100 eingerichtet ist, in Fluidverbindung stehen. Mit anderen Worten, das Zweistoffeinspritzsystem 130 kann dafür eingerichtet sein, den Gasbrennstoff in die Brennkammer 100 einzuspritzen, wenn die Brennkammer mit dem Gasbrennstoff arbeitet, und das Zweistoffeinspritzsystem 130 kann dafür eingerichtet sein, den Flüssigbrennstoff in die Brennkammer 100 einzuspritzen, wenn die Brennkammer mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet. Insbesondere kann das Zweistoffeinspritzsystem 130 dafür eingerichtet sein, einen Teil des Brennstoffstroms 30 um ein Einlassende des Mikromischers 120 herum einzuspritzen.
Das Zweistoffeinspritzsystem 130 kann wenigstens einen Ringeinspritzverteiler 132 enthalten, der sich um einen Umfang des Mikromischers 120 herum erstreckt und zu der Achse der Brennkammer 100 koaxial ist. Insbesondere kann gemäß Darstellung das Zweistoffeinspritzsystem 130 einen Außenringeinspritzverteiler 134 enthalten, der sich um einen Außenumfang des Mikromischers 120 herum erstreckt und dafür eingerichtet ist, einen Teil des Brennstoffstroms 30 radial nach innen gerichtet um das Einlassende des Mikromischers 120 herum einzuspritzen. Das Zweistoffeinspritzsystem 130 kann auch einen Innenringeinspritzverteiler 136 enthalten, der sich um einen Innenumfang des Mikromischers 120 erstreckt und dafür eingerichtet ist, einen Teil des Brennstoffstroms 30 radial nach außen gerichtet um das Einlassende des Mikromischers 120 herum einzuspritzen. In bestimmten Ausführungsformen kann das Zweistoffeinspritzsystem 130 nur den Außenringeinspritzverteiler 134, nur den Innenringeinspritzverteiler 136 oder sowohl den Außenringeinspritzverteiler 134 als auch den Innenringeinspritzverteiler 136 enthalten.
4 stellt eine detaillierte Querschnittsansicht eines Abschnittes des Ringeinspritzverteilers 132 dar. Die dargestellten Merkmale sind gleichermaßen sowohl auf den Außenringeinspritzverteiler 134 als auch den Innenringeinspritzverteiler 136 anwendbar, obwohl nachstehend Unterschiede in der Ausrichtung bestimmter Merkmale beschrieben werden. Der Ringeinspritzverteiler 132 kann eine Innenhülse 140 und eine Außenhülse 142 jeweils mit einer Ringform enthalten. Gemäß Darstellung kann die Außenhülse 142 die Innenhülse 140 umgeben und den Ringeinspritzverteiler 132 in dem Kopfsammelraum 122 der Brennkammer 100 unterstützen. Obwohl die Innenhülse 140 und die Außenhülse 142 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform dargestellt sind, können die Innen- und Außenhülsen 140, 142 alternativ eine im Wesentlichen quadratische, ringförmige, ovale oder andere Querschnittsform haben.
Die Innenhülse 140 kann einen oder mehrere sich entlang eines Umfangs der Innenhülse 140 erstreckende Einlässe 144 und einen oder mehrere sich entlang einem gegenüberliegenden Umfang der Innenhülse 140 erstreckende Auslässe 146 enthalten. Gemäß Darstellung kann der Auslass 146 als ein sich entlang des gesamten Umfangs der Innenhülse 140 erstreckender zusammenhängender Schlitz ausgebildet sein. Für den Außenringeinspritzverteiler 134 kann sich der Einlass 144 entlang des Außenumfangs der Innenhülse 140 erstrecken, und der Auslass 146 kann sich entlang des Innenumfangs der Innenhülse 140 in Bezug auf die Achse des Einspritzverteilers 134 erstrecken. Im Gegensatz dazu kann sich für den Innenringeinspritzverteiler 136 der Einlass 144 entlang des Innenumfangs der Innenhülse 140 erstrecken, und der Auslass 146 kann sich entlang des Außenumfangs der Innenhülse 140 in Bezug auf die Achse des Einspritzverteilers 136 erstrecken. Gemäß Darstellung kann die Innenhülse 140 auch einen Umfangsschild 148 enthalten, der sich zwischen dem Einlass 144 und dem Auslass 146 erstreckt.
Die Außenhülse 142 kann eine Anzahl von Löchern 150 enthalten, die sich durch die Außenhülse 142 gemäß Darstellung in 4 erstrecken. Die Löcher 150 können im Allgemeinen im Wesentlichen gleichmäßige Durchmesser haben und können auf dem Innenumfang, dem Außenumfang und/oder Seitenoberflächen der Außenhülse 142 in Bezug auf die Achse des Einspritzverteilers 132 definiert sein. Die Außenhülse 142 kann auch einen oder mehrere Auslässe 152 enthalten, die sich entlang eines Umfangs der Außenhülse 142 erstrecken. Gemäß Darstellung kann der Auslass 152 als ein sich um den gesamten Umfang der Außenhülse 142 erstreckender zusammenhängender Schlitz ausgebildet sein. Für den Außenringeinspritzverteiler 134 kann sich der Auslass 152 entlang des Innenumfangs der Außenhülse 142 in Bezug auf die Achse des Einspritzverteilers 134 erstrecken. Im Gegensatz dazu kann sich für den Innenringeinspritzverteiler 136 der Auslass 152 entlang des Außenumfangs der Außenhülse 142 in Bezug auf die Achse des Einspritzverteilers 136 erstrecken. Gemäß Darstellung kann der Auslass 152 eine düsenartige Form haben.
Der Ringeinspritzverteiler 132 kann auch eine Anzahl von Druckzerstäubern oder Brennstoffinjektoren 156 enthalten, die entlang eines Umfangs des Einspritzverteilers 132 positioniert und in Abstand angeordnet sind. Für den Außenringeinspritzverteiler 134 können die Brennstoffinjektoren 156 entlang des Außenumfangs des Einspritzverteilers 134 positioniert sein. Im Gegensatz dazu können für den Innenringeinspritzverteiler 136 die Brennstoffinjektoren 156 entlang des Innenumfangs des Einspritzverteilers 136 positioniert sein. Gemäß Darstellung können sich die Brennstoffinjektoren 156 durch die Außenhülse 142 und in die Innenhülse 140 erstrecken. Insbesondere können sich die Brennstoffinjektoren 156 durch den einen oder die mehreren Einlässe 144 der Innenhülse 140 erstrecken, welche als Löcher oder in der Innenhülse 140 definierte Öffnungen ausgebildet sein können. Die Brennstoffinjektoren 156 können mit der Brennstoffquelle in Fluidverbindung stehen, die den Brennstoffstrom 30 erzeugt, und können somit dafür eingerichtet sein, einen Teil des Brennstoffstroms 30 in die Innenhülse 140 des Einspritzverteilers 132 einzuspritzen. In bestimmten Ausführungsformen können die Brennstoffinjektoren 156 als gewöhnliche Strahlinjektoren, Druckverwirbelungsinjektoren, oder andere Arten von Injektoren ausgebildet sein. Beispielsweise können die Brennstoffinjektoren 156 gemäß Darstellung als Druckverwirbelungsinjektoren mit einer konischen Spinkammer 158 ausgebildet sein. Der Ringeinspritzverteiler 132 kann einen Ringverteiler 160 enthalten, der sich in Umfangsrichtung um die Brennstoffinjektoren 156 und in Fluidverbindung mit der Brennstoffquelle erstreckt. Auf diese Weise kann der Ringverteiler 160 dafür eingerichtet sein, den Teil des Brennstoffstroms 30 an die Brennstoffinjektoren 156 zu liefern.
Während des Betriebs der Brennkammer kann der Luftstrom 20 aus dem Verdichter 15 durch den Strömungspfad 118 hindurch und in den Kopfverteilerraum 122 der Brennkammer 100 geleitet werden. Jede von den Brennstoffdüsen 108 kann einen Teil des Luftstroms 20, einen Teil des Brennstoffstroms 30 und optionale Ströme anderer Fluide in die Verbrennungszone 110 zur Vermischung und Verbrennung darin leiten. Unterdessen kann jeder von den Ringeinspritzverteilern 132 auch einen Teil des Brennstoffstroms 30 und einen Teil des Luftstroms 20 zur Vorvermischung in den Einspritzverteilern 132 und zur anschließenden Einspritzung um das Einlassende der Mikromischer 120 herum aufnehmen. Jedes von den Mikromischerrohren 124 kann einen kleinen Teil der vorgemischten Brennstoff/Luft-Ströme zur weiteren Vermischung in den Mikromischerrohren 124 aufnehmen. In einigen Ausführungsformen kann jedes von den Mikromischerrohren 124 auch einen kleinen Teil des Brennstoffstroms 30 aus dem Brennstoffrohr 126 zur Vermischung mit dem vorvermischten Brennstoff/Luft-Strom in dem Mikromischerrohr 124 aufnehmen. In weiteren Ausführungsformen können die Mikromischerrohre 124 jeden Brennstoff aus dem Brennstoffrohr 126 aufnehmen. Die weitervermischten Brennstoff/Luft-Ströme, die in den Mikromischerrohren 124 erzeugt werden, können aus dem Mikromischer 120 in die Verbrennungszone 110 zur Verbrennung darin übergehen. Der sich ergebende Verbrennungsgasstrom 35 kann dann durch das Übergangsstück 114 hindurch und in die Turbine 40 zum Erzeugen von Nutzarbeit darin geleitet werden. Jede Anzahl von Brennkammern 100 kann in einer Rohr/Ring-Anordnung oder anderen Gruppierung verwendet werden. Des Weiteren dient die hierin beschriebene und dargestellte Brennkammer 100 nur dem Zweck eines Beispiels. Andere Komponenten enthaltende Brennkammern können ebenfalls hierin verwendet werden.
Wie vorstehend erwähnt, kann das Zweistoffeinspritzsystem 130 dafür eingerichtet sein, flüssigen Brennstoff, wie z.B. Dieselbrennstoff, Kerosin, Ethanol oder ein Wasser/Öl-Gemisch oder einen Gasbrennstoff, wie z.B. Erdgas oder Synthesegas in die Brennkammer 100 zur Verbrennung darin einzuspritzen. Wenn die Brennkammer 100 mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet, kann die Innenhülse 140 von jedem der Ringeinspritzverteiler 132 einen Teil des Brennstoffstroms 30 über die Brennstoffinjektoren 156 aufnehmen. Der Umfangsschild 148 kann verhindern, dass der Brennstoffstrom 30 unmittelbar aus dem Auslass 146 strömt. Auf diese Weise kann der Umfangsschild 148 den Brennstoffstrom 30 innerhalb der Innenhülse 140 umlenken, um einen Kontakt zwischen dem Flüssigbrennstoff und der Innenoberfläche 140 zu ermöglichen und um sicherzustellen, dass der Flüssigbrennstoff ausreichend Verweilzeit in der Innenhülse 140 zur vollständigen Verdampfung hat. Die Innenhülse 140 kann durch einen Teil des durch die Löcher 150 der Außenhülse 142 und auf die Außenoberfläche der Innenhülse 140 auftreffenden Luftstroms 20 erwärmt werden. Eine derartige Erwärmung kann bewirken, dass der die Innenoberflächen der Innenhülse 140 berührende Flüssigbrennstoff verdampft und kann zu einer Kühlung des Luftstroms 20 führen. In bestimmten Ausführungsformen können die Innenoberflächen der Innenhülse 140 ölabweisende oder wasseranziehende Beschichtungen darauf haben, um Zerstäubung zu ermöglichen und Kohlenstoffausbildung zu reduzieren. Die Innenhülse 140 kann durch den ständigen Strom des darin eingespritzten Flüssigbrennstoffs dergestalt gekühlt werden, dass der Einspritzverteiler 132 in einem stabilen Zustand bei einer Temperatur deutlich unter der Temperatur des ankommenden Luftstroms 20 aus dem Verdichter 15 arbeiten kann.
Der verdampfte Kraftstoff kann aus der Innenhülse 140 über den Auslass 146 strömen. Nach dem Durchströmen des Auslasses 146 der Innenhülse 140 kann sich der Strom des verdampften Brennstoffes mit dem Strom der gekühlten Luft vorvermischen, was einen vorvermischten Brennstoff/Luft-Strom 162 ausbildet. Die gekühlte Luft kann zur Verzögerung einer Selbstentzündung des durch den Einspritzverteiler 132 erzeugten vorvermischten Brennstoff/Luft-Stroms 162 beitragen. Sobald der vorvermischte Brennstoff/ Luft-Strom 162 den Einspritzverteiler 132 über den Auslass 152 der Außenhülse 142 verlässt, kann der ankommende Luftstrom 20 durch die Löcher 150 der Außenhülse 142 aufgrund der düsenartigen Form des Auslasses 152 gesaugt werden. Auf diese Weise kann der Auslass 152 so gestaltet sein, dass er wie eine Strahlpumpe oder Adduktor arbeitet. Wie vorstehend erwähnt, kann der vorvermischte Brennstoff/Luft-Strom 162 als eine dünne Schicht über dem Einlassende des Mikromischers 120 dergestalt eingespritzt werden, dass jedes von den Mikromischerrohren 124 einen kleinen Teil des vorvermischten Brennstoff/Luft-Stroms 162 zur weiteren Vermischung darin aufnehmen kann. Die Brennkammer 100 kann dergestalt eingerichtet sein, dass der vorvermischte Brennstoff/Luft-Strom 162 innerhalb weniger Millisekunden von dem Auslass 152 zu dem Auslassende des Mikromischers 120 wandert, um eine Selbstentzündung des Stroms 162 stromaufwärts vor der Verbrennungszone 110 zu vermeiden. Die Selbstentzündungstemperatur des vorvermischten Brennstoff/Luft-Stroms 162 kann deutlich unter der Verdichterauslasstemperatur liegen, und somit kann die erforderliche Zeit, für das Wandern des vorvermischten Brennstoff/Luft-Stroms von dem Auslass 152 der Außenhülse 142 zu dem Auslassende des Mikromischers 120 kürzer als die Zündungsverzögerungszeit sein, um eine Selbstentzündung des Stroms 162 innerhalb des Kopfsammelraums 122 zu vermeiden.
Wenn die Brennkammer 100 mit dem Gasbrennstoff arbeitet, kann die Innenhülse 140 von jedem der Ringeinspritzverteiler 132 in ähnlicher Weise einen Teil des Brennstoffstroms 30 über die Brennstoffinjektoren 156 aufnehmen. Der Gasbrennstoff kann als ein Reinigungs- und Kühlmedium für die Brennstoffinjektoren 156 dienen, während er auch eine Optimierung der Brennstoffeinspritzung und Verbrennung ermöglicht. Die Brennstoffinjektoren 156 können den Brennstoffstrom 30 in die Innenhülse 140 in einer kontinuierlichen Weise leiten, wenn die Brennkammer 100 mit dem Gasbrennstoff arbeitet. Der kontinuierliche Strom des Gasbrennstoffes kann kühlen, reinigen und die Brennstoff-benetzten Innenoberflächen des Ringeinspritzverteilers 132, insbesondere der Innenhülse 140, spülen und somit verhindern, dass Luft, insbesondere Sauerstoff, in die Brennstoff-benetzten Innenoberflächen eindringt. Auf diese Weise kann der kontinuierliche Strom des Gasbrennstoffes die Möglichkeit einer Verkokung oder Kohlenstoffausbildung verringern und kann somit die Kosten und die Komplexität der Reinigung im Vergleich zu Systemen, die Stickstoff, Dampf oder ein Inertgas verwenden, reduzieren. Während die Innenhülse 140 den Brennstoffstrom 30 aufnimmt, kann der Umfangsschild 148 verhindern, dass der Brennstoffstrom 30 unmittelbar aus dem Auslass 146 strömt. Auf diese Weise kann der Umfangsschild 148 den Brennstoffstrom 30 in der Innenhülse 140 umlenken, um einen Kontakt zwischen dem Gasbrennstoff und den Innenoberflächen der Hülse 140 zu ermöglichen. Die Innenhülse 140 kann durch einen Teil des durch die Löcher 150 der Außenhülse 142 geführten und gegen die Außenoberfläche der Innenhülse 140 auftreffenden Luftstroms 20 erwärmt werden. Unterdessen kann die Innenhülse 140 durch den kontinuierlichen Strom des darin eingespritzten Gasbrennstoffs dergestalt gekühlt werden, dass in einem stabilen Zustand der Einspritzverteiler 132 bei einer Temperatur deutlich unter der Temperatur des ankommenden Luftstroms 20 aus dem Verdichter 15 arbeiten kann. Der Gasbrennstoff kann aus der Innenhülse 140 durch den Auslass 146 strömen. Nach dem Durchströmen des Auslasses 146 der Innenhülse 140 kann sich der Strom des Gasbrennstoffes mit dem Strom der gekühlten Luft unter Ausbildung eines vorvermischten Brennstoff/Luft-Stroms 162 vorvermischen. Die gekühlte Luft kann zur Verzögerung der Selbstentzündung des durch den Einspritzverteiler 132 erzeugten vorvermischten Brennstoff/Luft-Stroms 162 beitragen. Während der vorvermischte Brennstoff/Luft-Strom 162 den Einspritzverteiler 132 über den Auslass 152 der Außenhülse 142 verlässt, kann der ankommende Luftstrom 20 durch die Löcher 150 der Außenhülse 142 aufgrund der düsenartigen Form des Auslasses 152 gesaugt werden. Auf diese Weise kann der Auslass 152 so eingerichtet sein, dass er wie eine Strahlpumpe oder Adduktor arbeitet. Zu bemerken ist, dass, wenn der Brennkammer 100 mit dem Gasbrennstoff arbeitet, das Volumen des durch die Löcher 150 gesaugten ankommenden Luftstroms 20 aufgrund der niedrigeren Gasbrennstofftemperaturen, Massenströme und Wärmeübertragung auf die Innenoberflächen der Innenhülse 140 weitaus geringer ist. Schließlich kann, wie vorstehend angemerkt, der vorvermischte Brennstoff/Luft-Strom 162 als eine dünne Schicht um das Einlassende des Mikromischers 120 herum dergestalt eingespritzt werden, dass jedes von den Mikromischerrohren 124 einen kleinen Teil des vorvermischten Brennstoff/Luft-Stroms 162 zur Vermischung darin aufnehmen kann.
Die hierin beschriebene Zweistoffbrennkammer stellt somit eine verbesserte Zweistoffbrennkammer bereit, die dafür eingerichtet ist, Gasbrennstoff in die Brennkammer 100 während eines ersten Betriebsmodus einzuspritzen und Flüssigbrennstoff in die Brennkammer 100 während eines weiteren Betriebsmodus einzuspritzen und zu verdampfen. Die Brennkammer 100 kann mit dem Flüssigbrennstoff betrieben werden, wenn die Gasturbinenmaschine 10 bei Volllastbedingungen arbeitet und kann mit dem Gasbrennstoff betrieben werden, wenn die Brennkammer 100 bei Teillastbedingungen arbeitet. Dadurch kann das Zweistoffeinspritzsystem 130 dazu verwendet werden, die Gesamtabgabe von Stickstoffoxiden und anderen Arten regulierter Emissionen unter vorgeschriebenen Mengen zu halten. Die Brennkammer 100 kann im Wesentlichen mit dem Gasbrennstoff für den Großteil ihrer Betriebszeit betrieben werden. Beispielsweise kann die Brennkammer 100 mit dem Gasbrennstoff für ca. 99,9 Prozent ihrer gesamten Betriebsdauer betrieben werden. Wenn die Brennkammer 100 mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet, kann die Verdampfung des Flüssigbrennstoffs in dem Ringeinspritzverteiler 132 zu einer mageren Verbrennung mit verringerten Flammentemperaturen und geringerer Stickstoffoxidproduktion führen. Wenn die Brennkammer 100 mit dem Gasbrennstoff arbeitet, kann der kontinuierliche Strom des Gasbrennstoffes die Möglichkeit für Verkokung oder Kohlenstoffausbildung verringern und somit die Kosten und Komplexität einer Reinigung im Vergleich zu Systemen verringern, die Stickstoff, Dampf oder ein Inertgas verwenden. Ferner kann die Einspritzung des Gasbrennstoffes über den Ringeinspritzverteiler 132 die Konvektionszeit zwischen dem Punkt der Brennstoffeinspritzung und der Flammenfront in der Brennkammer 100 verändern, was zur Abschwächung oder anderweitigen Beherrschung dynamischer Druckoszillationen hilfreich sein kann, wenn die Brennkammer 100 mit dem Gasbrennstoff arbeitet. Die Brennkammer 100 kann auch die Risiken einer Selbstzündung, Kohlenstoffausbildung, Rückzündung und Flammenhaltung wie vorstehend erwähnt, angehen, während gleichzeitig die regulierten Emissionen unter vorgeschriebenen Mengen gehalten werden. Ferner kann die Brennkammer zu einem primären Vormischer kompatibel sein, während gleichzeitig die hohen Kosten, Komplexität und eingeschränkte Betriebsfähigkeit in Verbindung mit bestimmten Zweistoffbrennkammern wie vorstehend detailliert beschrieben, vermieden werden.
Die Zweistoffbrennkammer 100 ermöglicht auch eine Optimierung der Brennstoffeinspritzung in die Brennkammer 100 und anschließenden Verbrennung darin. Insbesondere kann der Teil des Brennstoffstroms 30, der in das Zweistoffeinspritzsystem 130 geleitet wird, zur Optimierung der Einspritzung, Vorvermischung und Verbrennung angepasst werden. In bestimmten Ausführungsformen können zwischen 2% und 30% des Gesamtbrennstoffstroms 30 in das Zweistoffeinspritzsystem 130 geleitet werden. Andere Prozentsätze können verwendet werden. Ferner kann der Teil des Luftstroms 20, der in das Zweistoffeinspritzsystem 130 geleitet wird, zur Optimierung der Einspritzung, Vorvermischung und Verbrennung angepasst werden. In bestimmten Ausführungsformen können ca. 15% des in den Kopfsammelraum 122 geleiteten Gesamtluftstroms 20 in das Zweistoffeinspritzsystem 130 geleitet werden. Andere Prozentsätze können verwendet werden. Ferner kann bei Ausführungsformen, welche sowohl den Außenringeinspritzverteiler 134 als auch den Innenringeinspritzverteiler 136 enthalten, ein Brennstoffaufteilungsverhältnis zwischen den Einspritzverteilern 134, 136 zur Optimierung der Einspritzung, Vorvermischung und Verbrennung angepasst werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das Brennstoffaufteilungsverhältnis zwischen dem Außenringeinspritzverteiler 134 und dem Innenringeinspritzverteiler 136 ca. 4:1 sein. Auf diese Weise kann das Zweistoffeinspritzsystem 130 als ein Vierfacheinspritzsystem arbeiten, das zur Einspritzung, Vorvermischung und Verbrennung optimiert ist. Andere Brennstoffaufteilungsverhältnisse können verwendet werden.
Es dürfte ersichtlich sein, dass Vorstehendes nur bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent betrifft. Zahlreiche Änderungen und Modifikationen können ohne Abweichung von dem allgemeinen Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung gemäß Definition durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente vorgenommen werden.
Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen eine Zweistoffbrennkammer für eine Gasturbinenmaschine bereit. Die Brennkammer kann einen in einem Kopfsammelraum der Brennkammer positionierten primären Vormischer und ein in dem Kopfsammelraum und stromaufwärts von dem Vormischer positioniertes Zweistoffeinspritzsystem enthalten. Das Einspritzsystem kann zum Einspritzen eines Gasbrennstoffs um ein Einlassende des Vormischers herum eingerichtet sein, wenn die Brennkammer mit dem Gasbrennstoff arbeitet. Das Einspritzsystem kann auch zum Verdampfen und Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs um das Einlassende des Vormischers herum eingerichtet sein, wenn die Brennkammer mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet. Die vorliegende Anmeldung und das sich daraus ergebende Patent stellen auch ein Verfahren zum Betreiben einer Zweistoffbrennkammer bereit.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinenmaschine
15: Verdichter
20: Luftstrom
25: Brennkammer
30: Brennstoffstrom
35: Verbrennungsgase
40: Turbine
45: Welle
50: externe Last
52: Kopfende
54: hinteres Ende
56: Endabdeckung
58: Brennstoffdüse
60: Verbrennungszone
62: Einsatz
64: Übergangsstück
66: Strömungshülse
68: Strömungspfad
70: Mikromischer
72: Kopfsammelraum
74: Mikromischerrohr
76: Brennstoffrohre
100: Zweistoffbrennkammer
102: Kopfende
104: hinteres Ende
106: Endabdeckung
108: Brennstoffdüse
110: Verbrennungszone
112: Einsatz
114: Übergangsstück
116: Strömungshülse
118: Strömungspfad
120: Mikromischer
122: Kopfsammelraum
124: Mikromischerrohr
126: Brennstoffrohre
130: Zweistoffeinspritzsystem
132: Ringeinspritzverteiler
134: äußerer Ringeinspritzverteiler
136: innerer Ringeinspritzverteiler
140: Innenhülse
142: Außenhülse
144: Einlass
146: Auslass
150: Löcher
152: Auslass
156: Brennstoffinjektor
160: Ringverteiler
162: vorvermischter Brennstoff/Luft-Strom

Claims

Zweistoffbrennkammer für eine Gasturbinenmaschine, wobei die Brennkammer aufweist: einen in einem Kopfsammelraum der Brennkammer positionierten primären Vormischer; und ein in dem Kopfsammelraum und stromaufwärts von dem Vormischer positioniertes Zweistoffeinspritzsystem; wobei das Einspritzsystem zum Einspritzen eines Gasbrennstoffs um ein Einlassende des Vormischers herum eingerichtet ist, wenn die Brennkammer mit dem Gasbrennstoff arbeitet; und wobei das Einspritzsystem zum Verdampfen und Einspritzen eines Flüssigbrennstoffs um das Einlassende des Vormischers herum eingerichtet ist, wenn die Brennkammer mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet.
Zweistoffbrennkammer nach Anspruch 1, wobei der Vormischer einen Mikromischer aufweist, der mehrere um wenigstens ein Brennstoffrohr herum positionierte Mikromischerrohre aufweist.
Zweistoffbrennkammer nach Anspruch 1, wobei das Einspritzsystem wenigstens einen Ringeinspritzverteiler aufweist, der sich um einen Umfang des Vormischers herum erstreckt.
Zweistoffbrennkammer nach Anspruch 3, wobei der Ringeinspritzverteiler eine Innenhülse und eine die Innenhülse umgebende Außenhülse aufweist, wobei die Innenhülse zur Aufnahme eines Stroms des Flüssigbrennstoffs darin eingerichtet ist, und wobei die Außenhülse für die Leitung eines Luftstroms gegen die Innenhülse dergestalt eingerichtet ist, dass der Flüssigbrennstoff in der Innenhülse verdampft.
Zweistoffbrennkammer nach Anspruch 4, wobei die Außenhülse mehrere Löcher aufweist, die sich dadurch hindurch erstrecken und dafür eingerichtet sind, den Luftstrom gegen die Innenhülse zu leiten; und/oder wobei die Außenhülse den Ringeinspritzverteiler in dem Kopfsammelraum unterstützt; und/oder wobei die Innenhülse einen sich entlang eines Umfangs der Innenhülse erstreckenden Einlass, einen sich entlang einem gegenüberliegenden Umfang der Hülse erstreckenden Auslass und einen zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckenden Umfangsschild aufweist.
Zweistoffbrennkammer nach Anspruch 3, wobei das Einspritzsystem einen Außenringeinspritzverteiler aufweist, der sich um einen Außenumfang des Vormischers erstreckt und dafür eingerichtet ist, den Gasbrennstoff oder den Flüssigbrennstoff radial um das Einlassende des Vormischers herum nach innen gerichtet einzuspritzen; und/oder wobei das Einspritzsystem einen Innenringeinspritzverteiler aufweist, der sich um einen Innenumfang des Vormischers erstreckt und dafür eingerichtet ist, den Gasbrennstoff oder den Flüssigbrennstoff radial um das Einlassende des Vormischers herum nach außen gerichtet einzuspritzen; und/oder wobei das Einspritzsystem einen Innenringeinspritzverteiler und einen Außenringeinspritzverteiler aufweist, und wobei ein Brennstoffaufteilungsverhältnis zwischen dem Innenringeinspritzverteiler und dem Außenringeinspritzverteiler etwa 4:1 ist.
Verfahren zum Betreiben einer Zweistoffbrennkammer, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Leiten eines Luftstroms in ein in einem Kopfsammelraum der Brennkammer positioniertes Zweistoffeinspritzsystem; Leiten eines Flüssigbrennstoffstroms in das Einspritzsystem; Verdampfen des Flüssigbrennstoffstroms in dem Einspritzsystem; Einspritzen des Stroms von verdampftem Brennstoff um ein Einlassende eines primären Vormischers herum.
Gasturbinenmaschinensystem, aufweisend: einen Verdichter, eine Zweistoffbrennkammer in Verbindung mit dem Verdichter; und eine Turbine in Verbindung mit der Brennkammer; wobei die Brennkammer aufweist: einen in einem Kopfsammelraum der Brennkammer positionierten primären Vormischer; und ein in dem Kopfsammelraum und stromaufwärts von dem Vormischer positioniertes Zweistoffeinspritzsystem; und wobei das Einspritzsystem dafür eingerichtet ist, einen Gasbrennstoff um ein Einlassende des Vormischers herum einzuspritzen, wenn die Brennkammer mit dem Gasbrennstoff arbeitet; und wobei das Einspritzsystem dafür eingerichtet ist, einen Flüssigbrennstoff zu verdampfen und um das Einlassende des Vormischers herum einzuspritzen, wenn die Brennkammer mit dem Flüssigbrennstoff arbeitet.
System nach Anspruch 8, wobei das Einspritzsystem wenigstens einen sich um einen Umfang des Vormischers herum erstreckenden Ringeinspritzverteiler aufweist; und/oder wobei der Ringeinspritzverteiler eine Innenhülse und eine die Innenhülse umgebende Außenhülse aufweist, wobei die Innenhülse dafür eingerichtet ist, einen Strom des Flüssigbrennstoffs darin aufzunehmen, und die Außenhülse dafür eingerichtet ist, einen Luftstrom gegen die Innenhülse dergestalt zu leiten, dass der Flüssigbrennstoff in der Innenhülse verdampft.
System nach Anspruch 8, wobei die Außenhülse mehrere Löcher aufweist, die sich dadurch hindurch erstrecken und dafür eingerichtet sind, den Luftstrom gegen die Innenhülse zu leiten; und/oder wobei die Innenhülse einen sich entlang eines Umfangs der Innenhülse erstreckenden Einlass, einen sich entlang eines gegenüberliegenden Umfangs der Innenhülse erstreckenden Auslass und einen sich zwischen dem Einlass und den Auslass erstreckenden Umfangsschild aufweist.