DE102015120832A1

DE102015120832A1 - Einspritzsysteme für Brennstoff und Gas

Info

Publication number: DE102015120832A1
Application number: DE102015120832.6A
Authority: DE
Inventors: Stanley Kevin Widener; Lewis Berkley Davis; Gregory Thomas Foster; Kaitlin Marie Graham; Krishnakumar Venkataraman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2016-06-16
Also published as: JP2016128740A; CH710507A2; JP6721323B2; US10107498B2; US20160169524A1; CH710507B1; CN205641000U

Abstract

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung stellen Einspritzsysteme (50, 100, 200, 300, 400) für Brennstoff und Luft (26) bereit. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann ein Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) aufweisen: eine Mischzone (52), die in eine Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) eingebettet und zwischen einem ersten Auslass (60, 160, 260, 360) und einem zweiten Auslass (62, 162, 262, 362, 462) angeordnet ist, wobei die Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) eine Brennkammer (12) eines Energieerzeugungssystems 10 von einer Turbinenstufe (504) des Energieerzeugungssystems trennt, wobei der erste Auslass (60, 160, 260, 360) im Wesentlichen entgegengesetzt zu dem ersten Auslass (62, 162, 262, 362, 462) ausgerichtet ist; einen ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) zur Lieferung eines Trägergases zu der Mischzone (52) durch den ersten Auslass (60, 160, 260, 360); einen zweiten Einspritzkanal zur Lieferung eines Brennstoffes zu der Mischzone (52) durch einen zweiten Auslass (62, 162, 262, 362, 462); wobei sich das Trägergas und der Brennstoff innerhalb der Mischzone (52) nach dem Verlassen des ersten Einspritzkanals (164, 264, 364) und des zweiten Einspritzkanals vermischen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf Einspritzsysteme für Brennstoff und Gas. Genauer bezieht sich die Offenbarung auf Einspritzsysteme zum Einbringen von Brennstoff und einem Trägergas in Komponenten eines Energieerzeugungssystems. Die Komponenten können z.B. Brennkammern oder Nachbrenner sein, wie solche, die in Gasturbinensystemen oder anderen Arten von Turbomaschinen verwendet werden.
Turbinensysteme (auch als Turbomaschinen bekannt) können Energie z.B. für elektrische Generatoren erzeugen. Ein Arbeitsfluid, wie etwa heißes Gas oder Dampf kann über Sätze von Turbinenschaufeln strömen, die mit einem Rotor des Turbinensystems verbunden sind. Die Kraft des Arbeitsfluids auf die Schaufeln veranlasst die Schaufeln (und den verbundenen Körper des Rotors) sich zu drehen. In vielen Fällen ist der Rotorkörper mechanisch mit der Antriebswelle einer dynamoelektrischen Maschine, wie etwa einem elektrischen Generator verbunden. In diesem Sinn kann das Auslösen einer Rotation des Turbinensystemrotors auch die Antriebswelle in dem elektrischen Generator antreiben und einen elektrischen Strom, um eine bestimmte Ausgangsleistung zu erzeugen.
Um das Arbeitsfluid in einer verbrennungsbasierten Turbomaschine zu erzeugen, kann ein Brennstoff oder ein Reaktant unter Anwesenheit von Luft verbrennen, um einen Heißgasstrom zur Übertragung von Arbeit zu erzeugen, d.h., die Schaufeln des Turbinensystems anzutreiben. Einige Brennkammern wenden das Prinzip der Selbstzündung an, um den Brennstoff in der Anwesenheit von Luft in der Brennkammer zu verbrennen. Selbstzündung bezieht sich auf das Vermischen von Brennstoff und Luft in einer Hochtemperaturreaktionskammer, wo Brennstoff und Luft innerhalb der Kammer verbrennen können ohne dass eine Flamme erforderlich ist, um die Reaktion zu aktivieren. Bei konventionellen Systemen wird der Brennstoff zu einer Strömung von Luft einer Turbomaschine in einem Mischkanal hinzugefügt, der in einem bestimmten Abstand vorhergehend zu der Kammer angeordnet ist. Brennstoff und Luft können sich in dem Mischkanal vermischen, bevor sie die Kammer erreichen, wo die Verbrennungsreaktionen durch Selbstzündung stattfinden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich allgemein auf Einspritzsysteme für Brennstoff und Gas. Insbesondere stellen Einspritzsysteme entsprechend der vorliegenden Offenbarung Systeme zum Mischen von Brennstoff, Luft und/oder Inertgasen auf unterschiedliche Weise bereit und um verschiedene Beträge von Verweildauern zu erzeugen, sowohl für das Mischen vor der Sauerstoff- und Brennstoffverbrennung als auch für die vollständigen Reaktionen bevor das Gemisch die Brennkammer verlässt.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Einspritzsystem bereit, aufweisend: eine Mischzone, die in eine Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung eingelassen und zwischen einem ersten Auslass und einem zweiten Auslass positioniert ist, wobei die Turbinenleiteinrichtung eine Brennkammer von einem Energieerzeugungssystem von einer Turbinenstufe des Energieerzeugungssystems trennt, wobei der erste Auslass im Wesentlichen entgegengesetzt zum zweiten Auslass ausgerichtet ist; einen ersten Einspritzkanal zum Liefern von einem Trägergas zu der Mischzone durch den ersten Auslass; einen zweiten Einspritzkanal zum Liefern eines Brennstoffs zu der Mischzone durch einen zweiten Auslass; wobei das Trägergas und der Brennstoff sich innerhalb der Mischzone nach dem Verlassen des ersten Einspritzkanals und des zweiten Einspritzkanals vermischen.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass die Mischzone in eine Vertiefung der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung eingebettet ist.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass das Einspritzsystem außerdem aufweist: eine Mischkammer, die in die Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung eingelassen ist und die Mischzone darin umschließt; einen Auslassdurchgang, der sich durch die Mischkammer zwischen der Mischzone und einem Äußeren der Mischkammer erstreckt.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass die Kontur des Auslassdurchgangs eine Fluidkommunikation von einem verbrannten Gas außerhalb der Turbinenleiteinrichtung in die Mischkammer verhindert.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass die Brennkammer einen Nachbrenner des Energieerzeugungssystems aufweist und die Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung einer Strömung von Fluid durch den Nachbrenner ausgesetzt ist, wobei das Energieerzeugungssystem ein Gasturbinensystem aufweist.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass der erste Einspritzkanal und/oder der zweite Einspritzkanal aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet ist, so dass ein jeweiliges Fluid in dem ersten Einspritzkanal oder dem zweiten Einspritzkanal Wärme von der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung absorbiert.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass das Einspritzsystem außerdem einen Verteiler aufweist, der in die Turbinenleiteinrichtung eingebettet ist, wobei der Verteiler in Fluidverbindung mit dem ersten Einspritzkanal und eine Mehrzahl von Trägergaszufuhrkanälen steht.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Einspritzsystem bereit, aufweisend: zumindest einen ersten Einspritzkanal zum Liefern eines Brennstoffs zu einer Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung durch einen ersten Auslass, wobei die Turbinenleiteinrichtung eine Brennkammer eines Energieerzeugungssystems von einer Turbinenstufe des Energieerzeugungssystems trennt; einen zweiten Einspritzkanal zum Liefern eines Trägergases zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung durch einen zweiten Auslass, wobei der zumindest eine erste Einspritzkanal innerhalb des zweiten Einspritzkanals angeordnet ist; und zumindest eine Barriere, die zwischen dem zweiten Einspritzkanal und dem wenigstens einen ersten Einspritzkanal angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Barriere den Brennstoff in dem wenigstens einen ersten Einspritzkanal von dem Trägergas des zweiten Einspritzkanals trennt.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass der wenigstens eine zweite Einspritzkanal eine Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen aufweist und jeder von der Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen innerhalb des ersten Einspritzkanals angeordnet ist.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass die wenigstens eine Barriere eine Mehrzahl von Barrieren aufweist, wobei jede von der Mehrzahl von Barrieren zwischen dem ersten Einspritzkanal und einem jeweiligen von der Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen angeordnet ist und wobei jede von der Mehrzahl von Barrieren den Brennstoff von jedem von der Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen von dem Trägergas des ersten Einspritzkanals trennt.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass das Einspritzsystem außerdem eine Mischkammer aufweist, die in der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung angeordnet ist, wobei sich das Trägergas und der Brennstoff innerhalb der Mischkammer nach dem Verlassen des ersten Einspritzkanals und des zweiten Einspritzkanals mischen.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass der erste Einspritzkanal aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet ist, so dass ein jeweiliges Fluid in dem ersten Einspritzkanal bzw. dem zweiten Einspritzkanal Wärme von der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung durch das thermisch leitfähige Material absorbiert.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass die Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Druckfläche, eine Saugfläche oder eine Seitenwand der Turbinenleiteinrichtung aufweist.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Einspritzsystem bereit, aufweisend: zumindest einen Einspritzkanal zum Liefern eines Brennstoffes oder eines Trägergases zu einer Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung durch einen ersten Auslass, wobei die Turbinenleiteinrichtung eine Brennkammer eines Energieerzeugungssystems von einer Turbinenstufe des Energieerzeugungssystems trennt; und zumindest zwei zweite Einspritzkanäle zum Liefern des anderen von dem Brennstoff und dem Trägergas zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung durch eine jeweilige Mehrzahl von zweiten Auslässen, wobei die Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen benachbart zu den ersten Einspritzkanälen ist; wobei eine lineare Anordnung von dem wenigstens einen Einspritzkanal und den wenigstens zwei zweiten Einspritzkanälen eine abwechselnde Reihenfolge von Auslässen für Brennstoff und für Trägergas bildet.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass die wenigstens zwei zweiten Auslässe einen Teil von einer Mehrzahl von zweiten Auslässen enthalten, die im Wesentlichen kreisförmig um den wenigstens einen Auslass angeordnet sind.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass das Einspritzsystem außerdem eine Mischzone aufweist, die benachbart zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung angeordnet ist, wobei sich das Trägergas und der Brennstoff innerhalb der Mischzone nach dem Verlassen des ersten Auslasses und der Mehrzahl von zweiten Auslässen mischen.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass der erste Auslass und jeder von der Mehrzahl von zweiten Auslässen im Wesentlichen koplanar zueinander angeordnet sind.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass der erste Einspritzkanal und die Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen in einem im Wesentlichen reihenförmigen Muster angeordnet sind und die Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung eine Vorderkante oder eine Hinterkante der Turbinenleiteinrichtung aufweist.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass jeder von der Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen in thermischer Verbindung mit einem Trägergas steht.
Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Einspritzsystems kann es vorteilhaft sein, dass die Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung einer Strömung von Fluid durch einen Nachbrenner des Energieerzeugungssystems ausgesetzt ist, wobei das Energieerzeugungssystem ein Gasturbinensystem aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden einfacher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Verbindung genommen mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, die verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinensystems ist, das einen Nachbrenner aufweist.
2–4 perspektivische Teilansichten eines Einspritzsystems für Brennstoff und Trägergas entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung sind.
5–6 perspektivische Teilansichten eines anderen Einspritzsystems für Brennstoff und Trägergas entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung sind.
7–8 perspektivische Teilansichten von noch einem anderen Einspritzsystem für Brennstoff und Gas entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung sind.
9 eine Querschnittsansicht einer Turbinenleiteinrichtung zwischen einer Brennkammer und einem Turbinenabschnitt entsprechend Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung ist.
Es wird bemerkt, dass die Zeichnungen der Erfindung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sind dazu bestimmt, lediglich typische Aspekte der Erfindung darzustellen und sollten daher nicht als den Schutzbereich der Erfindung beschränkend angesehen werden. In den Zeichnungen stellen gleiche Nummern gleiche Elemente innerhalb der Zeichnungen dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie es hierin erläutert wird, beziehen sich Aspekte der Erfindung allgemein auf Einspritzsysteme für eines oder beide von einem Trägergas und einem brennbaren Brennstoff in einem Energieerzeugungssystem. In einer beispielhaften Ausführungsform können Einspritzsysteme entsprechend der vorliegenden Offenbarung Brennstoff und Trägergas in eine Reaktionskammer des Gasturbinensystems einspritzen. Eine Art von Reaktionskammer in einem Gasturbinensystem kann die Reaktionskammer eines Nachbrenners enthalten. Die vorliegende Offenbarung beschreibt verschiedene Einspritzsysteme zum Einspritzen des Brennstoffs und des Trägergases, die an einer oder mehreren bestimmten Stellen der Turbinenleiteinrichtung positioniert sein können, die eine Reaktionskammer von einer Turbinenstufe trennt. Die Verwendung von unterschiedlichen Relativpositionen und Ausrichtungen eines ersten Auslasses für ein Medium und eines zweiten Auslasses für ein anderes Medium, kann verschiedene Arten von Nach-Einspritzmischung innerhalb des Einspritzsystems und/oder der Reaktionskammer ermöglichen.
Auf den Raum bezogene Begriffe, wie etwa „innen“, „außen“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“, „Einlass“, „Auslass“, und dergleichen können hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um ein Element oder eine Merkmalsbeziehung zu einem anderen Element bzw. zu anderen Elementen oder einem anderen Merkmal bzw. zu anderen Merkmalen zu beschreiben, wie es in den Figuren veranschaulicht ist. Auf den Raum bezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, unterschiedliche Ausrichtungen der Einrichtung bei der Verwendung oder beim Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren veranschaulichten Ausrichtung zu umfassen. Zum Beispiel, wenn eine Einrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ von anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet sein. Daher kann der Begriff „unter“ sowohl eine Ausrichtung darüber als auch darunter umfassen. Die Einrichtung kann auch anders (um 90 Grad gedreht oder bei anderen Ausrichtungen) orientiert und die hierin verwendeten, auf den Raum bezogenen Beschreibungen entsprechend interpretiert werden.
Bezugnehmend auf 1 ist ein konventionelles Energieerzeugungssystem 10 in der Form einer Turbomaschine gezeigt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können zur Verwendung mit dem Energieerzeugungssystem 10 angepasst werden und/oder können in Komponenten davon integriert werden. Das Energieerzeugungssystem 10 ist beispielhaft als eine verbrennungsbasierte Turbomaschinenanordnung gezeigt, obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung auch zur Verwendung mit anderen Arten von Verbrennungssystemen angepasst werden können, wo es anwendbar ist. In der Ausführung von verbrennungsbasierten Turbomaschinen ist eine Brennkammer 12, die mit einer Brennstoffzufuhr 14 verbunden ist, typischerweise zwischen einem Kompressor 16 und einer Hochdruck(HP)-Gasturbine 18 des Energieerzeugungssystems 10 angeordnet. Die Brennstoffzufuhr 14 kann fluidisch mit oder anderweitig in der Form von einem oder mehreren Brennstoffdüsen verbunden sein, die mit der Brennkammer 12 verbunden sind. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Brennstoffzufuhr 14 fluidisch mit einer Gruppe von Brennstoffdüsen verbunden sein, die in Umfangsrichtung um die Brennkammer 12 und/oder andere Brennkammern des Energieerzeugungssystems 10 angeordnet sind. Der Kompressor 16 und die HP-Gasturbine 18 können mechanisch mittels einer rotierbaren Welle 20 miteinander verbunden sein. Um die Leistungsabgabe und/oder Effizienz zu erhöhen, kann das Energieerzeugungssystem 10 auch einen Nachbrenner 22 und eine Niederdruck(LP)-Gasturbine 24 in Fluidverbindung mit der Fluidabgabe von der HP-Gasturbine 18 aufweisen.
Luft 26 strömt nacheinander durch den Kompressor 16, die Brennkammer 12, die HP-Gasturbine 18, den Nachbrenner 22 und die LP-Gasturbine 24. Die durch den Kompressor 16 bereitgestellte Verdichtung kann auch die Temperatur der Luft 26 erhöhen. Die Brennstoffzufuhr 14 kann Brennstoff an die Brennkammer 12 und den Nachbrenner 22 liefern, der in der Anwesenheit von Luft 26 verbrennt, um einen Heißgasstrom hervorzubringen. Der Heißgasstrom von der Brennkammer 12 kann in die HP-Gasturbine 18 eintreten, um mechanische Energie auf die rotierbare Welle 20 zu übermitteln, z.B. durch Drehen einer Gruppe von Turbinenschaufeln, wobei Leistung zurück zu dem Kompressor 16 und/oder irgendwelchen Lasten (nicht veranschaulicht) geliefert wird, die mechanisch mit der rotierbaren Welle 20 gekoppelt sind. Gleichermaßen kann der Brennstoff, der von der Brennstoffzufuhr 14 für den Nachbrenner 22 bereitgestellt wird, in der Anwesenheit von Überschussluft verbrennen, die von der Gasturbine 18 geliefert wird, um einen Heißgasstrom für die LP-Gasturbine 24 hervorzubringen, der zusätzliche mechanische Energie auf die rotierbare Welle übermitteln kann, z.B. durch Drehen von Turbinenschaufeln innerhalb der LP-Gasturbine 24. Das Energieerzeugungssystem 10 kann eines von mehreren individuellen Turbomaschinen sein, die durch denselben Betreiber gesteuert werden und/oder kann Teil eines größeren Energieerzeugungssystems sein.
Zuwendend der 2 ist ein Einspritzsystem 50 entsprechend der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Einspritzsystem 50 kann eine Mischzone 52 enthalten, die innerhalb der Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung 54 eingebettet ist. Die Turbinenleiteinrichtung 54 kann eine Brennkammer (z.B. Brennkammer 12 (1) oder Nachbrenner 22 (1)) von einer Turbinenschaufel (z.B. HP-Turbine 18 (1) oder LP-Turbine 26 (1)) eines Systems, wie etwa des Energieerzeugungssystems 10 (1) trennen. In dem Beispiel eines Gasturbinensystems kann die Turbinenleiteinrichtung 54 den Nachbrenner 22 von der LP-Turbine 24 des Energieerzeugungssystems 10 trennen. Hier kann die Turbinenleiteinrichtung 54 einem Strom von Fluid durch den Nachbrenner 22 ausgesetzt sein.
Die Mischzone 52 kann zwischen einem ersten Auslass 60 und einem zweiten Auslass 62 angeordnet sein. Der erste Auslass 60 kann die Form von einem oder mehreren Löchern, Öffnungen, Kanälen, Düsen, usw. haben, um ein Trägergas (z.B. ein Sauerstoff enthaltendes brennbares Gas oder ein Inertgas) in einem ersten Einspritzkanal 64 in die Mischzone 52 zu leiten. Das zu der Mischzone 52 geleitete Trägergas von dem ersten Auslass 60 kann Überschusskühlluft sein, die von einem Kompressor (z.B. dem Kompressor 16 (1)) geleitet wird oder kann von einer unabhängigen Zufuhr von Luft oder einem anderen Gas geliefert werden, die z.B. außerhalb des Energieerzeugungssystems 10 angeordnet ist. Der zweite Auslass 62 kann die Form von einem oder mehreren Löchern, Öffnungen, Kanälen, Düsen, usw. haben, um einen Brennstoff in dem zweiten Einspritzkanal 66 in die Mischzone 52 zu leiten. Der zu der Mischzone 52 durch den zweiten Auslass 62 geleitete Brennstoff kann zum Beispiel von einer Brennstoffzufuhr (1) oder anderen Quellen geliefert werden, die Brennstoff im Ausgangszustand empfangen und/oder abgeben. Das Trägergas kann ein Oxidationsgas sein, z.B. Luft; es kann ein Inertgas sein oder es kann ein Gemisch aus irgendeiner chemischen Zusammensetzung sein, die für die Zwecke des Verbesserns der Mischung und des Reagierens eines Brennstoffes und des Steuerns der Verweilzeit des Brennstoffes sowohl vor, als auch nach dem die Zündung erfolgt, geeignet sind. In jedem Fall können sich der Brennstoff und das Trägergas, die zu der Mischzone 52 geleitet werden, miteinander darin vermischen, um ein reaktives Gasgemisch 68 zu werden.
Um das Vermischen des Brennstoffes und des Gases in der Mischzone 52 zu erhöhen, können der erste Auslass 60 und der zweite Auslass 62 im Wesentlichen „entgegengesetzt“ zueinander ausgerichtet sein. In der allgemeinsten Bedeutung umfasst „entgegengesetzt“ alle Ausrichtungen, bei denen zumindest einiger Brennstoff und zumindest einiges Trägergas von dem ersten Auslass 60 und dem zweiten Auslass 62 miteinander innerhalb der Mischzone 52 kollidieren, bevor sie die Mischzone 52 als reaktives Gasgemisch 68 verlassen. Bei einem Ausführungsbeispiel können der erste Auslass 60 und der zweite Auslass 62 unmittelbar entlang einer bestimmten linearen Richtung entgegengesetzt sein, d.h. mit entgegengesetzten oder im Wesentlichen entgegengesetzten Ausrichtungen (d.h. innerhalb eines Fehlerbereichs von etwa 5 Grad), so dass die Winkelausrichtung des ersten Auslasses 60 und des zweiten Auslasses 62 bezogen auf eine horizontale Achse (z.B. Achse „X“ aus 2) sich um etwa 180 Grad unterscheiden. Die entgegengesetzte Ausrichtung des ersten Auslasses 60 zu dem zweiten Auslass 62 kann verbessert werden durch das Bilden einer Ausnehmung oder Vertiefung in der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 54 und des Anordnens des ersten und zweiten Auslasses 60, 62 innerhalb dieser Ausnehmung. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können der erste oder der zweite Auslass 60, 62 in die Strömung des anderen von dem ersten oder dem zweiten Auslass 60, 62 ausgerichtet sein, z.B. mit einer Fluidströmungsvektorkomponente in derselben Richtung wie der andere Auslass entlang einer Achse und mit einer anderen Vektorkomponente in einer anderen Richtung gegenüber dem anderen Auslass entlang einer anderen Achse. Zum Beispiel können der erste oder der zweite Auslass 60, 62 in einer Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 54 ausgerichtet sein, während der andere Auslass unter einem Winkel von der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 54 ausgerichtet sein kann, der sich von dem anderen Auslass durch eine Winkeldifferenz von weniger als ungefähr 45 Grad unterscheidet. Beim Ausführungsbeispiel nach 2, sind der erste Auslass 60 und 62 im Wesentlichen entgegengesetzt zueinander und leiten Fluid mit einer positiven „Y“-Richtungsvektorkomponente, aber mit „X“-Richtungsvektorkomponenten in entgegengesetzten Richtungen und sind einander zugewandt. Irgendeine Anzahl von möglichen Relativausrichtungen zwischen dem ersten Auslass 60 und dem zweiten Auslass 62 sind in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung vorgesehen, solange als zumindest ein Teil des Trägergases, das den ersten Auslass 60 verlässt, mit zumindest einem Teil des Brennstoffes, der den zweiten Auslass 62 verlässt, während des Betriebs kollidiert und/oder sich vermischt.
Zuwendend der 3 ist ein Einspritzsystem 50 gezeigt, das zusätzliche Komponenten enthält. Das Einspritzsystem 50 kann eine Mischkammer 70 aufweisen, die innerhalb der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 54 eingebettet ist, um die Mischzone 52 darin zu umschließen. Die Mischkammer 70 kann auch einen Auslassdurchgang 72 aufweisen, der sich durch die Mischkammer 70 zwischen der Mischzone 52 und einem Außenbereich der Mischkammer erstreckt. Die Mischkammer 70 kann zusammen mit den im Wesentlichen entgegengesetzten Ausrichtungen des ersten Auslasses 60 und des zweiten Auslasses 62 den Grad des Kontaktes zwischen dem Trägergas und dem Brennstoff aus dem ersten und dem zweiten Einspritzkanal 64, 66 vor dem Verlassen der Mischzone 52 durch den Auslassdurchgang 72 erhöhen. Hier können der erste und der zweite Auslass 60, 62 mit entgegengesetzten „X“-Richtungsvektorkomponenten ausgerichtet sein und können in unterschiedlichen Y-Z-Ebenen angeordnet sein (d.h. bei unterschiedlichen Koordinaten entlang der „X“-Achse angeordnet sein). In diesem Fall können der erste und der zweite Auslass 60, 62 Fluidströmungen von Trägergas und Brennstoff in die Mischzone 52 leiten, die im Wesentlichen in einer Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn innerhalb der Mischkammer 70 vor der Kombination darin und dem Hindurchgelangen durch den Auslassdurchgang 72 strömen.
Wie es außerdem in 3 gezeigt ist, kann der Auslassdurchgang 72 mit einer bestimmten Geometrie konturiert sein, um eine Fluidkommunikation in einer Richtung zu ermöglichen, während die Fluidkommunikation in der anderen Richtung verhindert wird. Zum Beispiel kann der Durchgangskanal 72 im Wesentlichen kegelstumpfförmig sein, mit einem Querschnitt des Auslassdurchgangs 72, der an einem Ende größer ist als an dem entgegengesetzten Ende. Der Auslassdurchgang 72 kann zusätzlich oder alternativ hergestellt sein, um andere Geometrien aufzuweisen, z.B. eine Labyrinthgestalt, eine konische Gestalt, usw. In jedem Fall kann die Fluidströmungsrate von Trägergas und Brennstoff innerhalb der Mischzone 52 zu dem Auslassdurchgang 72 erheblich größer sein als die Fluidströmungsrate von Substanzen außerhalb der Mischkammer 70 (z.B. innerhalb der Reaktionskammer) in den Auslassdurchgang 72. Daher können bestimmte Konturen des Auslassdurchgangs 72 eine Fluidkommunikation von verbrannten Gasen außerhalb von der Turbinenleiteinrichtung 54 vom Eintreten in die Mischzone 52 durch den Auslassdurchgang 72 verhindern. Bei anderen Ausführungsbeispielen, wo das Risiko gering ist, dass verbrannte Gase in die Mischzone 52 eintreten, kann der Auslassdurchgang irgendeine andere gewünschte Geometrie aufweisen, z.B. zylindrisch, ein Parallelepiped geformter Durchgang mit einem rechteckigen Querschnitt, usw.
Das Einspritzsystem 50 kann für andere Funktionen zusätzlich zum Bereitstellen eines vermischten reaktiven Gases für eine Komponente des Energieerzeugungssystems 10 (1) dienen. Zum Beispiel kann das Einspritzsystem 50 eine Kühlung für die Turbinenleiteinrichtung 54 bereitstellen. Bei einem Ausführungsbeispiel können eine oder beide von dem ersten und zweiten Einspritzkanal 64, 66 aus einem thermisch leitfähigen Material bestehen. Thermisch leitfähige Materialien können zum Beispiel Metallverbindungen wie etwa Legierungen, thermisch leitfähige Kunststoffe und/oder organische Materialien, leitfähige keramische Materialien, usw. enthalten. In jedem Fall können es die Materialzusammensetzungen des ersten und zweiten Einspritzkanals 64, 66 mit leitfähigen Eigenschaften einem jeweiligen Fluid (z.B. Trägergas oder Brennstoff) in dem ersten und dem zweiten Einspritzkanal 64, 66 ermöglichen, Wärme von der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 54 zu absorbieren. In diesem Fall kann die Wärme, die während einer Verbrennungsreaktion auf die Turbinenleiteinrichtung 54 übertragen wird, partiell dadurch abgeführt werden, dass sie auf das Trägergas oder dem Brennstoff in dem ersten und/oder zweiten Einspritzkanal 64, 66 übertragen wird, um den Grad der Beschädigung der Turbinenleiteinrichtung 54 zu reduzieren.
Zuwendend der 4 ist ein Einspritzsystem 50 gezeigt, wie es mit zusätzlichen Komponenten der Turbinenleiteinrichtung 54 gekoppelt und/oder enthalten ist. Hier kann der zweite Einspritzkanal 64 in Fluidverbindung mit einem Verteiler 74 zum Sammeln von Trägergas von mehreren Trägergaszufuhrkanälen 76 sein. Die Trägergaszufuhrkanäle 76 können jeweils in Fluidverbindung mit einer einzigen Quelle von Trägergas oder verschiedenen Quellen von Trägergas stehen. Wie es in 4 gezeigt ist, kann der Verteiler 74 aus mehreren Schichten mit Löchern, Öffnungen, Durchgängen, usw. gebildet sein, wobei die verschiedenen Schichten fluidisch mit einem ersten Einspritzkanal 64 verbunden sind. Zumindest eine von den verschiedenen Schichten im Verteiler 74 kann einen der mehreren Trägergaszufuhrkanäle 76 enthalten, der mit einer Quelle von Trägergas verbunden ist. Der Verteiler 74 kann Trägergas aus mehreren Quellen zusammenführen, um es dem ersten Einspritzkanal 64 bereitzustellen. Wie es in 4 gezeigt ist, kann sich der zweite Einspritzkanal 66 durch den Verteiler 74 erstrecken, so dass der zweite Einspritzkanal 66 fluidisch isoliert von dem Trägergas im Verteiler 74 ist. Bei dieser Anordnung, wo der erste Einspritzkanal 66 aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet ist, kann der Verteiler 74 einen größeren Oberflächenbereich der Turbinenleiteinrichtung 54 kühlen als den, der durch die Mischzone 52 belegt ist und der Brennstoff in dem zweiten Einspritzkanal 66 kann auch Wärme von der Turbinenleiteinrichtung 54 absorbieren, um eine zusätzliche Kühlung bereitzustellen.
Zuwendend nun zu 5 ist ein Einspritzsystem 100 entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Einspritzsystem 100 kann einen ersten Auslass 160 zur Lieferung von Trägergas und wenigstens einen zweiten Auslass 162 zur Lieferung eines Brennstoffs zu einer Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 154 aufweisen. Ein erster Einspritzkanal 164 kann Kühlungsluft (als ein Trägergas) zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 154 durch den ersten Auslass 160 liefern. Zumindest ein zweiter Einspritzkanal 166 kann Brennstoff zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 154 durch den zweiten Auslass 162 liefern. Außerdem kann der zweite Einspritzkanal 166 innerhalb des ersten Einspritzkanals 164 positioniert sein. Eine Barriere 168 kann zwischen dem ersten Einspritzkanal 164 und dem zweiten Einspritzkanal bzw. den zweiten Einspritzkanälen 166 positioniert sein. Die Barriere 168 kann das Trägergas in dem ersten Einspritzkanal 164 von dem Brennstoff des zweiten Einspritzkanals 166 trennen. Wie es hierin an anderer Stelle angegeben ist, kann die Turbinenleiteinrichtung 154 eine Brennkammer (z.B. Brennkammer 12 (1) oder den Nachbrenner 122 (1)) von einer Turbinenstufe (z.B. HP-Turbine 18 (1) oder LP-Turbine 26 (1)) eines Systems trennen, wie etwa einem Energieerzeugungssystem 10 (1). In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Turbinenleiteinrichtung 154 den Nachbrenner 22 von der LP-Turbine 24 eines Energieerzeugungssystems 10 in Form eines Gasturbinensystems trennen und kann einer Strömung von Fluid durch den Nachbrenner 22 ausgesetzt sein.
Das Einspritzsystem 100 kann auch eine Mischkammer 170 aufweisen, die innerhalb der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 154 angeordnet ist. Die Mischkammer 170 kann auch einen Auslassdurchgang 172 aufweisen, der oberhalb des ersten und zweiten Auslasses 160, 162 angeordnet ist, um eine Fluidverbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Mischkammer 170 bereitzustellen. Die Mischkammer 170 kann einen Bereich zur Vermischung zwischen dem Trägergas und dem Brennstoff bereitstellen, das bzw. der den ersten bzw. zweiten Einspritzkanal 164, 166 durch den ersten bzw. zweiten Auslass 160, 162 verlässt. Der Auslassdurchgang 172 kann unmittelbar fluchtend ausgerichtet und/oder koaxial zu dem ersten und/ oder zweiten Ausgang 160, 162 angeordnet sein, wie es in 5 gezeigt ist. Alternativ kann der Auslassdurchgang 172 mit einer anderen Achse von dem ersten und/oder zweiten Auslass 160, 162 ausgerichtet sein. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Auslasskanal 162 in der Form von Mehrfachauslasskanälen 162 ausgeführt sein, die sich durch die Mischkammer 170 erstrecken.
Ausführungsbeispiele des Einspritzsystems 100 können unterschiedliche Relativpositionen des ersten Einspritzkanals 164 und des zweiten Einspritzkanals 166 gegenüber anderen Komponenten, die dazwischen angeordnet oder anderweitig enthalten sind aufweisen, wo es anwendbar ist. Zum Beispiel kann der zweite Einspritzkanal 166 innerhalb des ersten Einspritzkanals 164 angeordnet sein. Wie es in 5 gezeigt ist, können der erste und der zweite Auslass 160, 162 eine koaxiale Anordnung mit einer Barriere 168 haben, die in der Form eines im Wesentlichen kreisförmigen Teilers zwischen den beiden Auslässen sein kann. Die Barriere 168 kann einen Teil des ersten und/oder zweiten Einspritzkanals 164, 166 bilden oder kann eine vollständig andere Struktur sein. Der erste Einspritzkanal 164 kann sich innerhalb der Turbinenleiteinrichtung 154 aufteilen oder verzweigen und kann aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet sein, z.B. einem der thermisch leitfähigen Materialien, die an anderer Stelle hierin mit Bezug auf den ersten Einspritzkanal 64 (2–4) erläutert sind. Wo der erste Einspritzkanal 164 aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet ist, kann das Trägergas in dem ersten Einspritzkanal 164 von mehreren Quellen gesammelt werden, die in Fluidverbindung mit dem ersten Einspritzkanal 164 stehen, so dass das Trägergas Wärme von einem größeren Oberflächenbereich der Turbinenleiteinrichtung 154 durch seine thermisch leitfähige Zusammensetzung absorbieren kann. Der zweite Einspritzkanal 166 kann sich im Wesentlichen rechtwinklig in die Turbinenleiteinrichtung 154 relativ zu deren Oberfläche erstrecken, um den zweiten Auslass 162 mit einer bestimmten Brennstoffquelle zu verbinden. Der zweite Einspritzkanal 166 kann auch aus thermisch leitfähigem Material gebildet sein. Die Verwendung von thermisch leitfähigem Material in der Zusammensetzung des zweiten Einspritzkanals 166 und/oder der Barriere 168 kann es der Wärme ermöglichen, zwischen dem Brennstoff in dem zweiten Einspritzkanal 166 und dem Trägergas in dem ersten Einspritzkanal 164 durch die Barriere 168 übertragen zu werden.
Zuwendend der 6 ist ein Einspritzsystem 200 mit einer anderen Anordnung des ersten und zweiten Einspritzkanals 264, 266 gezeigt. Das Einspritzsystem 200 kann eine Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen 266 aufweisen, von denen jeder innerhalb des ersten Einspritzkanals 264 angeordnet sein kann. Hier können einige zweite Einspritzkanäle 266 nicht koaxial mit dem ersten Einspritzkanal 264 angeordnet sein und können gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche des ersten Einspritzkanals 264 angeordnet sein. Einige zweite Auslässe 262 können Brennstoff über die Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 254 leiten, wo sich der Brennstoff mit von dem ersten Einspritzkanal 264 zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 254 über den ersten Auslass 260 gelieferten Kühlungsluft (als ein Trägergas) vermischen kann. Eine Mehrzahl von Barrieren 268 kann zwischen dem ersten Einspritzkanal 264 und einem von der Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen 266 angeordnet sein, um das Trägergas innerhalb des ersten Einspritzkanals 264 von dem Brennstoff in den zweiten Einspritzkanälen 266 zu trennen. Die Anzahl und die Größe von zweiten Einspritzkanälen 266 innerhalb des ersten Einspritzkanals 264 kann basierend auf der beabsichtigten Anwendung, Reaktionsbedingungen, usw. variieren, um sowohl den Umfang der Vermischung zwischen dem Brennstoff und der Luft nach der Einspritzung, das Niveau der zusätzlichen durch das Einspritzsystem 200 bereitgestellten Verbrennung und andere Reaktionseigenschaften zu steuern. Obwohl die Mischkammer 170 (5) und der Auslassdurchgang 172 (5) in 6 beispielhaft weggelassen wurden, versteht es sich, dass diese Komponenten auch verwendet werden können mit oder ohne begleitende Abwandlungen in Ausführungsbeispielen, wo mehrere zweite Einspritzkanäle 266 verwendet werden.
Zuwendend 7 ist ein anderes Einspritzsystem 300 entsprechend einem unterschiedlichen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Einspritzsystem 300 kann eine Anordnung von Einspritzkanälen enthalten, die insbesondere geeignet sind z.B. für Situationen, bei denen lange Verzögerungen vor der Nach-Einspritzvermischung von Sauerstoff und Brennstoff gewünscht sind. Wie es in 7 gezeigt ist, kann das Einspritzsystem 300 zumindest einen ersten Auslass 360 aufweisen, der fluidisch mit einem entsprechenden ersten Einspritzkanal 364 zum Liefern entweder von Brennstoff oder Luft zu einer Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 354 verbunden ist. Gleichermaßen kann zumindest ein zweiter Auslass 362 eine Fluidverbindung zwischen einer Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung 354 und zumindest einem zweiten Einspritzkanal 366 bereitstellen. Der zweite Auslass 362 und der zweite Einspritzkanal 366 können ein Fluid zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 354 liefern, das verschieden ist von dem was durch den ersten Auslass 360 und den zweiten Einspritzkanal 364 geliefert wird. Zum Beispiel kann dort, wo der erste Einspritzkanal 364 ein Trägergas zu der Turbinenleiteinrichtung 354 liefert, der zweite Einspritzkanal 366 Brennstoff zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 354 liefern. Der erste Einspritzkanal 362 kann in Fluidverbindung mit einer Zufuhr von Trägergas (z.B. Kühlungsluft) von einem Kompressor eines Energieerzeugungssystems stehen oder kann bei einem alternativen Ausführungsbeispiel fluidisch mit einer bestimmten Quelle von Trägergas verbunden sein, die z.B. innerhalb oder außerhalb des Energieerzeugungssystems 10 (1) angeordnet ist.
Der erste und zweite Auslass 360, 362 können verschiedene Größen in Bezug zueinander aufweisen und bei einigen Ausführungsbeispielen können von etwa gleicher Flächengröße sein, um im Wesentlichen gleiche Ströme von Fluid zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 354 zu liefern. Das Einspritzsystem 300 kann zumindest zwei zweite Einspritzkanäle 366 aufweisen, die benachbart zu dem ersten Einspritzkanal 364 angeordnet sind, so dass die ersten und zweiten Einspritzkanäle 364, 366 und die ersten und zweiten Auslässe 360, 362 eine abwechselnde lineare Reihenfolge von Auslässen über die Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 354 bilden. Die abwechselnde lineare Reihenfolge kann verhindern, dass zwei erste Auslässe 360 und/oder zwei zweite Auslässe 362 benachbart zueinander positioniert sind und das Vermischen einer Menge von Brennstoff oder Luft mit einer unverhältnismäßig großen oder kleinen Menge des anderen Mediums verursachen. Die beispielhafte Ausführung, die in 7 gezeigt und hierin beschrieben ist, ist eine verallgemeinerte Form des Einspritzsystems 200 und andere Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Gestalten, die die abwechselnde lineare Anordnung von ersten und zweiten Auslässen 360, 362 und/oder ersten und zweiten Einspritzkanälen 364, 366 aufrechterhalten sind hierin beschrieben und berücksichtigt. Jeder erste Auslass 360 und jeder zweite Auslass 362 kann im Wesentlichen koplanar zueinander sein (z.B. innerhalb derselben X-Y-Ebene wie es in 7 gezeigt ist), um eine bestimmte Art und Menge von Mischung zwischen Brennstoff und Trägergas zu erzeugen, nachdem beide Medien die Turbinenleiteinrichtung 354 durch ihre jeweiligen Auslässe verlassen.
Die abwechselnde Reihenfolge von den ersten und zweiten Auslässen 360, 362 kann eine bestimmte Art von Gestalt oder Muster bilden. Zum Beispiel, wie es in 7 gezeigt ist, hat die Mehrzahl von ersten und zweiten Auslässen 360, 362 und/oder ersten und zweiten Einspritzkanälen 364, 366 ein lineares, reihenförmiges Muster bilden. Das Muster kann insbesondere für bestimmte Bereiche der Turbinenleiteinrichtung 354 wirksam sein. Zum Beispiel kann eine Strömung von Fluid über die Turbinenleiteinrichtung 354 eine Bewegungsrichtung im Wesentlichen parallel zu der Richtung des reihenförmigen sich abwechselnden Musters von ersten und zweiten Einspritzkanälen 364, 366 und/oder ersten und zweiten Auslässen 360, 362 haben. Die ersten und zweiten Auslässe 360, 362 können an einer „Vorderkante“ oder einer „Hinterkante“ der Turbinenleiteinrichtung 354 angeordnet sein. Eine Vorderkante bezieht sich allgemein auf eine Kante der Turbinenleiteinrichtung 354 über die Fluid von einer Reaktionskammer strömt und eine Hinterkante bezieht sich allgemein auf eine Kante der Turbinenleiteinrichtung 354 über die Fluid strömt und die vor einer Turbinenstufe eines Energieerzeugungssystems angeordnet ist. Beispiele einer Vorder- und Hinterkante einer Turbinenleiteinrichtung 354 sind an anderer Stelle hierin erläutert.
Zuwendend der 8 ist ein Einspritzsystem 400 mit einer anderen Anordnung von Komponenten gezeigt. Das Einspritzsystem 400 kann eine Gruppe von zweiten Auslässen 462 aufweisen, die im Wesentlichen kreisförmig um wenigstens einen Auslass 460 angeordnet sind. Dieses bestimmte Muster kann die abwechselnde lineare Sequenz von ersten und zweiten Auslässen 460, 462 aufrechterhalten, z.B. von einem zweiten Auslass 462 zu einem ersten Auslass 460 und zu einem weiteren zweiten Auslass 462, der an einer entgegengesetzten Seite von der im Wesentlichen ringförmigen Anordnung positioniert ist. Obwohl die Art des Auslasses entlang einer bestimmten linearen Richtung abwechseln kann, können die zweiten Auslässe 462 in einem im Wesentlichen kreisförmigen Muster sein, mit dem ersten Auslass, der in oder nahe dem Zentrum des Einspritzsystems 400 angeordnet ist. Die ersten und zweiten Auslässe 460, 462 können fluidisch mit den ersten und zweiten Einspritzkanälen 464, 466 verbunden sein.
Wie es in 8 gezeigt ist, kann das Einspritzsystem 400 eine Mischkammer 470 aufweisen, die eine Mischzone darin bildet. Die Mischzone kann allgemein ein Raum innerhalb der Mischkammer 470 über der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 454 enthalten. Trägergas und Brennstoff von den ersten und zweiten Auslässen 460, 462 mit der abwechselnden Anordnung können sich in der Mischzone (d.h. innerhalb der Mischkammer 470) vermischen. Das Gemisch aus Trägergas und Brennstoff kann weg von der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung 454 durch einen Auslassdurchgang 472 strömen, der sich durch die Mischkammer 470 erstreckt. Das Hinzufügen der Mischkammer 470 und des Auslassdurchgangs 472 zur Erzeugung einer Mischzone oberhalb der abwechselnden ersten und zweiten Auslässe 460, 462 kann das Ausmaß erhöhen, indem sich Trägergas und Brennstoff mischen können, bevor sie in eine Reaktionszone eintreten und verbrannt werden.
Bezugnehmend auf 9 ist ein Querschnitt einer Turbinenleiteinrichtung 554 mit verschiedenen möglichen Positionen für Einspritzsysteme 50 (2–4), 100 (5), 200 (6), 300 (7), 400 (8) gezeigt. Obwohl die Turbinenleiteinrichtung 554 als Beispiel in 9 gezeigt ist, können andere Arten von Turbinenleiteinrichtungen, wie sie hierin erläutert wurden, z.B. die Turbinenleiteinrichtung 54 (2–4), die Turbinenleiteinrichtung 154 (5), die Turbinenleiteinrichtung 254 (6), die Turbinenleiteinrichtung 354 (7) und/oder die Turbinenleiteinrichtung 454 (8), wo es anwendbar ist, auch verwendet werden. Die in 9 identifizierten und hierin erläuterten Stellen an der Turbinenleiteinrichtung 554 sind als Beispiel angegeben und nicht dazu bestimmt, mögliche Stellen für ein bestimmtes Einspritzsystem zu beschränken. Die Platzierung von einem Einspritzsystem bzw. von Einspritzsystemen 50, 100, 200, 300, 400 kann abhängig von dem beabsichtigten Gebrauch und der Art des Energieerzeugungssystems variieren, indem das Einspritzsystem bzw. die Einspritzsysteme verwendet wird bzw. werden. Die Turbinenleiteinrichtung 554 kann zwischen dem Nachbrenner 22 und der LP(Niederdruck)-Turbine 24 eines bestimmten Energieerzeugungssystems eingesetzt werden.
Wie es in der Querschnittsansicht in der X-Y-Ebene in 9 gezeigt ist, kann die Turbinenleiteinrichtung 554 stromabwärts des Nachbrenners 22 und stromaufwärts der LP-Turbine 24 und zwischen einer inneren Seitenwand 506 und einer äußeren Seitenwand 508 angeordnet sein. Entsprechende Fluidströmungen F können die Turbinenleiteinrichtung 554 passieren während sie sich von dem Nachbrenner 22 zu der LP-Turbine 24 bewegen. Das Einspritzsystem bzw. die Einspritzsysteme 50, 100, 200, 300, 400 können an Stellen angeordnet sein, die der Fluidströmung F ausgesetzt sind, wie etwa die Vorderkante 510 oder die Hinterkante 512, die wegen ihrer Anordnung relativ zu der Strömung des Fluids F von der Reaktionskammer 502 zu der Turbinenstufe 504 so genannt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Einspritzsystem bzw. können Einspritzsysteme 50, 100, 200, 300, 400 an oder in der Nähe der Druckseite 514 und/oder der Saugseite 516 der Turbinenleiteinrichtung 554 angeordnet werden. Die Druckseite 514 und die Saugseite 516 können als solche basieren auf den positiven oder negativen resultierenden Drücken identifiziert werden, die benachbart zu ihren Positionen strömen. Die Turbinenleiteinrichtung 554 kann eine einzige Ausführungsform des Einspritzsystems 50, 100, 200, 300, 400 aufweisen oder kann mehrere Ausführungsformen eines Einspritzsystems bzw. von Einspritzsystemen 50, 100, 200, 300, 400 aufweisen, wie sie hierin beschrieben sind und wie es für unterschiedliche technische Anwendungen gewünscht oder notwendig ist.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf irgendeine bestimmte Gasturbine, einen Verbrennungsmotor, ein Energieerzeugungssystem oder anderes System beschränkt und kann mit anderen Energieerzeugungssystemen und/oder Systemen (z.B. kombinierten Gas- und Dampfsystemen, einfachen Systemen, nuklearen Reaktoren, usw.) verwendet werden. Zusätzlich kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit anderen Systemen verwendet werden, die hierin nicht beschrieben sind, die von dem erhöhten Betriebsbereich, der erhöhten Effizienz, der erhöhten Standzeit und erhöhten Zuverlässigkeit der hierin beschriebenen Vorrichtung profitieren können. Außerdem können die verschiedenen Einspritzsysteme gemeinsam verwendet werden an einer einzigen Leiteinrichtung oder an/mit unterschiedlichen Leiteinrichtungen in unterschiedlichen Abschnitten eines einzigen Energieerzeugungssystems. Irgendeine Anzahl von unterschiedlichen Ausführungsformen kann, wo es gewünscht ist, hinzugefügt oder gemeinsam verwendet werden und die hierin beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen sind nicht dazu bestimmt, gegenseitig exklusiv zueinander zu sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können mehrere technische und kommerzielle Vorteile aufweisen. Zum Beispiel können Ausführungsbeispiele von hierin offenbarten Einspritzsystemen bestehende Nachbrennertechnologien verwenden, indem sie einen größeren Anteil der gesamten Gasturbinenströmung ermöglichen gegenüber anderen Einspritzsystemen durch die Turbinenleiteinrichtung eingespritzt zu werden, wodurch die Effizienz verbessert wird. Die Anordnung und Größe von Einspritzsystemen, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung zu einer Turbinenleiteinrichtung hinzugefügt werden, kann auch variiert werden, um die Menge an Brennstoff und Trägergas, das durch die Turbinenleiteinrichtung eingespritzt wird, zu verändern, um verschiedene Beträge einer Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt des Einspritzens und der Reaktion (z.B. durch Selbstzündung) zwischen dem eingespritztem Brennstoff und dem Trägergas zu erzeugen. Die Verwendung von separaten Trägergaseinspritzkanälen und Auslässen kann es Einspritzsystemen der vorliegenden Offenbarung auch ermöglichen, Trägergas von einer bestimmten Quelle zu verwenden anstatt Trägergas von einer Kompressorkomponente eines Energieerzeugungssystems zu entnehmen.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und ist nicht dazu bestimmt, die Offenbarung zu beschränken. Wie es hierin verwendet wird, sind die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ dazu bestimmt, die Pluralformen ebenfalls zu umfassen, solange der Kontext nicht deutlich etwas anderes angibt. Es versteht sich außerdem, dass die Begriffe „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ wenn sie in der Spezifikation verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Befehle, Elemente und/oder Komponenten anzeigen, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Befehlen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Die schriftliche Beschreibung verwendet Ausführungsbeispiele, um die Erfindung zu offenbaren, aufweisend das bevorzugte Ausführungsbeispiel, und um irgendeinen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und des Verwendens irgendwelcher Einrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher beinhalteter Verfahren. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die Fachleute offenbar werden. Solche anderen Beispiele sind dazu bestimmt, innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche zu liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nicht substantiellen Unterschieden vom Wortlaut der Ansprüche aufweisen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung stellen Einspritzsysteme 50, 100, 200, 300, 400 für Brennstoff und Luft 26 bereit. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann ein Einspritzsystem 50, 100, 200, 300, 400 aufweisen: eine Mischzone 52, die in eine Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung 54, 154, 254, 354, 454, 554 eingebettet und zwischen einem ersten Auslass 60, 160, 260, 360 und einem zweiten Auslass 62, 162, 262, 362, 462 angeordnet ist, wobei die Turbinenleiteinrichtung 54, 154, 254, 354, 454, 554 eine Brennkammer 12 eines Energieerzeugungssystems 10 von einer Turbinenstufe 504 des Energieerzeugungssystems trennt, wobei der erste Auslass 60, 160, 260, 360 im Wesentlichen entgegengesetzt zu dem ersten Auslass 62, 162, 262, 362, 462 ausgerichtet ist; einen ersten Einspritzkanal 164, 264, 364 zur Lieferung eines Trägergases zu der Mischzone 52 durch den ersten Auslass 60, 160, 260, 360; einen zweiten Einspritzkanal zur Lieferung eines Brennstoffes zu der Mischzone 52 durch einen zweiten Auslass 62, 162, 262, 362, 462; wobei sich das Trägergas und der Brennstoff innerhalb der Mischzone 52 nach dem Verlassen des ersten Einspritzkanals 164, 264, 364 und des zweiten Einspritzkanals vermischen.
Bezugszeichenliste

10: Energieerzeugungssystem
12: Brennkammer
14: Brennstoffzufuhr
16: Kompressor
18: Gasturbine
20: rotierbare Welle
22: Nachbrenner
24: Niederdruck(LP)-Gasturbine
26: Luft
50, 100, 200, 300, 400: Einspritzsystem
52: Mischzone
54, 154, 254, 354, 454, 554: Turbinenleiteinrichtung
60, 160, 260, 360, 460: erster Auslass
62, 162, 262, 362, 462: zweiter Auslass
66, 166, 266, 366, 464: zweite Einspritzkanäle
70, 170, 470: Mischkammer
72, 172, 472: Auslassdurchgang
74: Verteiler
76: Gaszufuhrkanäle
64, 164, 264, 364, 466: erster Einspritzkanal
168, 268: Barriere
502: Reaktionskammer
504: Turbinenstufe
510: Vorderkante
512: Hinterkante
514: Druckseite
516: Saugseite

Claims

Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) aufweisend: eine Mischzone (52), die an einer Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) angeordnet und zwischen einem ersten Auslass (60, 160, 260, 360) und einem zweiten Auslass (62, 162, 262, 362, 462) angeordnet ist, wobei die Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) eine Brennkammer (12) eines Energieerzeugungssystems (10) von einer Turbinenstufe (504) des Energieerzeugungssystems trennt, wobei der erste Auslass (60, 160, 260, 360) im Wesentlichen entgegengesetzt zu dem zweiten Auslass (62, 162, 262, 362, 462) ausgerichtet ist; einen ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) zum Liefern eines Trägergases zu der Mischzone (52) durch den ersten Auslass (60, 160, 260, 360); und einen zweiten Einspritzkanal zum Liefern eines Brennstoffes zu der Mischzone (52) durch einen zweiten Auslass (62, 162, 262, 362, 462); wobei sich das Trägergas und der Brennstoff innerhalb der Mischzone (52) nach dem Verlassen des ersten Einspritzkanals (164, 264, 364) und des zweiten Einspritzkanals (166, 266, 366) vermischen.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1, wobei die Mischzone (52) innerhalb einer Ausnehmung der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) eingebettet ist.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, außerdem aufweisend: eine Mischkammer (70, 170, 470), die innerhalb der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) eingebettet ist und die Mischzone (52) darin umschließt; und einen Auslassdurchgang (72, 172, 472), der sich durch die Mischkammer (70, 170, 470) zwischen der Mischzone (52) und dem Außenbereich der Mischkammer (70, 170, 470) erstreckt.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) nach Anspruch 3, wobei eine Kontur des Auslassdurchgangs (72, 172, 472) eine Fluidkommunikation von verbranntem Gas außerhalb der Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) in die Mischkammer (70, 170, 470) verhindert.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennkammer (12) einen Nachbrenner (22) des Energieerzeugungssystems aufweist und die Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) einer Strömung von Fluid durch den Nachbrenner (22) ausgesetzt ist, wobei das Energieerzeugungssystem (10) ein Gasturbinensystem (18) aufweist.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Einspritzkanal (164, 264, 364) und/oder der zweite Einspritzkanal (166, 266, 366) aus einem thermisch leitfähigen Material besteht, so dass ein jeweiliges Fluid in dem ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) oder dem zweiten Einspritzkanal (166, 266, 366) Wärme von der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) absorbiert.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem aufweisend einen Verteiler (74), der in die Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) eingebettet ist, wobei der Verteiler (74) in Fluidverbindung mit dem ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) und einer Mehrzahl von Trägergaszufuhrkanälen (76) steht.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) aufweisend: zumindest einen ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) zur Lieferung von Trägergas zu einer Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) durch einen ersten Auslass (60, 160, 260, 360), wobei die Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) eine Brennkammer (12) eines Energieerzeugungssystems (10) von einer Turbinenstufe (504) des Energieerzeugungssystems trennt; zumindest einen zweiten Einspritzkanal (166, 266, 366) zum Liefern eines Brennstoffs zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) durch einen zweiten Auslass (62, 162, 262, 362, 462), wobei der zumindest eine zweite Einspritzkanal (166, 266, 366) innerhalb des ersten Einspritzkanals (164, 264, 364) angeordnet ist; und wenigstens eine Barriere (168, 268) die zwischen dem ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) und dem wenigstens zweiten Einspritzkanal (166, 266, 366) angeordnet ist, wobei die zumindest eine Barriere (168, 268) das Trägergas in dem wenigstens einen ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) von dem Brennstoff des zweiten Einspritzkanals (166, 266, 366) trennt.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine Barriere (168, 268) eine Mehrzahl von Barrieren (168, 268) umfasst, wobei jede von der Mehrzahl der Barrieren (168, 268) zwischen dem ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) und einem jeweiligen von der Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen (66, 166, 266, 366) angeordnet ist und wobei jede von der Mehrzahl der Barrieren (168, 268) den Brennstoff von jedem von den zweiten Einspritzkanälen (166, 266, 366) von dem Trägergas des ersten Einspritzkanals (164, 264, 364, 362) trennt.
Einspritzsystem (50, 100, 200, 300, 400) aufweisend: wenigstens einen ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) zum Liefern von einem Brennstoff und einem Trägergas zu einer Oberfläche einer Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) durch einen ersten Auslass (60, 160, 260, 360), wobei die Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) eine Brennkammer (12) eines Energieerzeugungssystems (10) von einer Turbinenstufe (504) des Energieerzeugungssystems trennt; und zumindest zwei zweite Einspritzkanäle (166, 266, 366) zum Liefern des anderen von dem Brennstoff von dem Trägergas zu der Oberfläche der Turbinenleiteinrichtung (54, 154, 254, 354, 454, 554) durch eine entsprechende Mehrzahl von zweiten Auslässen (62, 162, 262, 362, 462), wobei die Mehrzahl von zweiten Einspritzkanälen (166, 266, 366) benachbart zu dem ersten Einspritzkanal (164, 264, 364) ist; wobei eine lineare Anordnung von dem wenigstens einen Einspritzkanal (164, 264, 364) und den zumindest zwei zweiten Einspritzkanälen (166, 266, 366) eine abwechselnde Reihenfolge von Auslässen für den Brennstoff und das Trägergas bildet.