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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein einen Brenner für eine Gasturbine. Spezieller betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zur Nutzung von Kühlluft in dem Brenner.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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In einer luftverarbeitenden Turbomaschine (z.B. einer Gasturbine), tritt Luft in einen Verdichter ein und wird fortschreitend verdichtet, während sie in Richtung eines Brenners geleitet wird. Die verdichtete Luft wird mit einem Brennstoff vorgemischt und in einer in dem Brenner definierten Reaktionszone gezündet, so dass heiße Verbrennungsgase entstehen. Die Verbrennungsgase werden anschließend von der Brennkammer über ein Flammrohr und/oder ein Übergangsstück in einen Turbinenabschnitt der Turbomaschine geleitet, wo die Verbrennungsgase über abwechselnde Reihen stationärer Leitschaufeln und Laufschaufeln strömen, die an einer Rotorwelle befestigt sind. Während die Verbrennungsgase über die Laufschaufeln strömen, wird kinetische und/oder thermische Energie auf die Laufschaufeln übertragen, so dass die Rotorwelle in Drehung versetzt wird.
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Um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen, werden moderne Brenner bei hohen Temperaturen betrieben, die hohe thermische Spannungen an unterschiedlichen mechanischen Bauteilen erzeugen, die in dem Brenner angeordnet sind. Infolgedessen wird wenigstens ein Teil der verdichteten Luft, die dem Brenner zugeführt wird, als Kühlluft verwendet, um diese Bauteile zu kühlen. Beispielsweise enthalten spezielle Brenner eine im Wesentlichen ringförmige Brennerkappenanordnung, die eine oder mehrere Brennstoffdüsen in dem Brenner zumindest teilweise umgibt. Gewisse Konstruktionen von Brennerkappenanordnungen enthalten eine Kappenplatte, die an einem stromabwärts gelegenen Ende der Brennerkappenanordnung angeordnet ist. Die Brennstoffdüsen erstrecken sich zumindest teilweise durch die Kappenplatte, die gewöhnlich im Wesentlichen benachbart zu der Brennkammer angeordnet ist. Daraus ergibt sich, dass die Kappenplatte gewöhnlich extrem hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
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Ein Weg zur Kühlung der Kappenplatte basiert darauf, einen Teil der verdichteten Luft als Kühlluft in die Brennerkappenanordnung und auf eine stromaufwärtige Seite der Kappenplatte zu verzweigen. Die Kühlluft wird anschließend durch mehrere Kühl- oder Effusionsöffnungen verzweigt, die sich durch die Kappenplatte erstrecken. Die Kühlluft strömt von den Effusionsöffnungen in die Reaktionszone, die in dem Brenner definiert ist. Dieses Verfahren ist in der Industrie als Effusionskühlung bekannt. Allerdings tritt die Kühlluft, die die mehreren Kühlungslöcher durchströmt, in die Reaktionszone unvermischt mit dem Brennstoff und bei einer Temperatur ein, die wesentlich geringer ist als die Flammentemperaturen bei der Verbrennung. Infolgedessen kann die Entstehung von NOx und/oder CO2 verschlimmert und der Gesamtwirkungsgrad einer Turbine verringert sein. Darüber hinaus ist die Kühlungskapazität der Kühlluft nicht vollständig optimiert, mit der Folge einer Verringerung des Kühlwirkungsgrads des Brenners. Ein verbessertes System und Verfahren zur Nutzung von Kühlluft in der Brennerkappenanordnung wären daher von Vorteil.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung unterbreitet oder können sich offensichtlich aus der Beschreibung ergeben oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt ein System zur Nutzung von Kühlluft in einem Brenner. Das System enthält eine Brennstoffdüse, die einen sich axial erstreckenden zentralen Körper, ein Brennerrohr, das wenigstens einen Abschnitt des zentralen Körpers umgibt, und einen Vormischkanal aufweist, der zwischen dem zentralen Körper und dem Brennerrohr ausgebildet ist. Das System enthält ferner eine Brennerkappenanordnung, die einen ersten Kühlluftsammelraum, der zwischen einer Kappenplatte und einer ersten Aufteilungsplatte ausgebildet ist, einen zweiten Kühlluftsammelraum, der stromaufwärts des ersten Kühlluftsammelraums zwischen einer zweiten Aufteilungsplatte und der ersten Aufteilungsplatte ausgebildet ist, und ein Rohr aufweist, das eine strömungsmäßige Verbindung von dem ersten Kühlluftsammelraum, durch den zweiten Kühlluftsammelraum und durch die zweite Aufteilungsplatte bereitstellt. Die Brennstoffdüse erstreckt sich axial in der Brennerkappenanordnung.
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Das Rohr kann eine strömungsmäßige Verbindung zwischen dem ersten Kühlluftsammelraum und dem Vormischkanal bereitstellen.
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Die Brennstoffdüse jedes oben erwähnten Systems kann einen Spülluftkanal aufweisen, der sich in dem zentralen Körper axial erstreckt, wobei das Rohr eine strömungsmäßige Verbindung zwischen dem ersten Kühlluftsammelraum und dem Spülluftkanal bereitstellt.
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Das Rohr jedes oben erwähnten Systems kann sich durch den zweiten Kühlluftsammelraum erstrecken, der im Wesentlichen parallel zu der Brennstoffdüse ist.
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Zumindest ein Teil des Rohrs in dem zweiten Kühlluftsammelraum jedes oben erwähnten Systems kann gekrümmt sein.
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Das Rohr jedes oben erwähnten Systems kann eine von dem ersten Kühlluftsammelraum stammende Auslasskühlluft strömungsmäßig von dem zweiten Kühlluftsammelraum isolieren.
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Die Brennerkappenanordnung jedes oben erwähnten Systems kann ferner eine äußere Stützmanschette enthalten, die sich von einer Umhüllung der Brennerkappenanordnung radial nach außen erstreckt, wobei die äußere Stützmanschette mehrere sich axial erstreckende Durchgangslöcher aufweist, die dazu eingerichtet sind, verdichtete Luft, die durch sie hindurch und in Richtung eines Kopfstückabschnitts des Brenners strömt, zu konditionieren.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brenner. Der Brenner enthält eine Endabdeckung, die mit einem Außengehäuse verbunden ist. Die Endabdeckung und das Außengehäuse bilden eine Hochdruckkammer und ein Kopfende des Brenners. Weiter enthält der Brenner eine Brennstoffdüse, die sich axial stromabwärts der Endabdeckung erstreckt und sich in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Kopfende befindet. Die Brennstoffdüse enthält einen sich axial erstreckenden zentralen Körper, ein Brennerrohr, das wenigstens einen Abschnitt des zentralen Körpers umgibt, einen Vormischkanal, der zwischen dem zentralen Körper und dem Brennerrohr ausgebildet ist, und einen Spülluftkanal, der in dem zentralen Körper ausgebildet ist. Der Brenner enthält ferner eine Brennerkappenanordnung, die wenigstens einen Abschnitt der Brennstoffdüse umgibt. Die Brennerkappenanordnung enthält einen ersten Kühlluftsammelraum, der zwischen einer Kappenplatte und einer ersten Aufteilungsplatte definiert ist, einen zweiten Kühlluftsammelraum, der stromaufwärts des ersten Kühlluftsammelraums zwischen einer zweiten Aufteilungsplatte und der ersten Aufteilungsplatte definiert ist, und ein Rohr. Das Rohr stellt eine strömungsmäßige Verbindung von und/oder aus dem ersten Kühlluftsammelraum heraus, durch den zweiten Kühlluftsammelraum und durch die zweite Aufteilungsplatte bereit.
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Das Rohr des Brenners kann eine strömungsmäßige Verbindung zwischen dem ersten Kühlluftsammelraum und dem Vormischkanal bereitstellen.
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Das Rohr jedes oben erwähnten Brenners kann eine strömungsmäßige Verbindung zwischen dem ersten Kühlluftsammelraum und dem Spülluftkanal bereitstellen.
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Das Rohr jedes oben erwähnten Systems kann sich durch den zweiten Kühlluftsammelraum erstrecken, der im Wesentlichen parallel zu der Brennstoffdüse ist.
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Zumindest ein Teil des Rohrs in dem zweiten Kühlluftsammelraum jedes oben erwähnten Systems kann gekrümmt sein.
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Ein Auslass des Rohrs jedes oben erwähnten Systems kann in der Nähe wenigstens eines von einer radialen Öffnung des Brennerrohrs, eines Einlasses zu dem Vormischkanal und einer Öffnung gebildet sein, die in dem zentralen Körper ausgebildet ist.
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Der zweite Kühlluftsammelraum jedes oben erwähnten Systems kann sich in strömungsmäßiger Verbindung mit der Hochdruckkammer befinden, wobei das Rohr von dem ersten Kühlluftsammelraum stammende Auslasskühlluft strömungsmäßig von Kühlluft in dem zweiten Kühlluftsammelraum isoliert.
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Weiter kann die Brennerkappenanordnung jedes oben erwähnten Systems eine äußere Stützmanschette enthalten, die sich von einer Umhüllung der Brennerkappenanordnung in Richtung des Außengehäuses radial nach außen erstreckt, wobei die äußere Stützmanschette mehrere sich axial erstreckende Durchgangslöcher aufweist.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Nutzung von Kühlluft in einem Brenner, beispielsweise in einer Gasturbinenbrennkammer. Das Verfahren weist ein Leiten von Kühlluft von einem kreisringförmigen Strömungskanal, der in dem Brenner definiert ist, in einen zweiten Kühlluftsammelraum einer Brennerkappenanordnung auf. Der kreisringförmige Strömungskanal befindet sich in strömungsmäßiger Verbindung mit einer Hochdruckkammer. Das Verfahren weist ferner ein Leiten der Kühlluft durch eine erste Aufteilungsplatte und in einen ersten Kühlluftsammelraum der Brennerkappenanordnung auf, so dass die Kühlluft gegen eine Kaltseite einer Kappenplatte der Brennerkappenanordnung strömt, um sie zu kühlen. Das Verfahren beinhaltet ferner ein Verzweigen von Auslasskühlluft aus dem ersten Kühlluftsammelraum heraus zu einem Kopfstückabschnitt des Brenners über ein Rohr. Das Rohr erstreckt sich ausgehend von einer Öffnung, die in der ersten Aufteilungsplatte ausgebildet ist, durch den zweiten Kühlluftsammelraum und durch eine zweite Aufteilungsplatte, die den zweiten Kühlluftsammelraum zumindest teilweise bildet.
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Das Verfahren kann ferner ein Leiten der Auslasskühlluft in einen Spülluftkanal aufweisen, der in einem zentralen Körper einer Brennstoffdüse ausgebildet ist, die sich axial durch die Brennerkappenanordnung erstreckt.
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Weiter kann jedes der oben erwähnten Verfahren ein Leiten der Auslasskühlluft in einen Vormischkanal aufweisen, der durch eine Brennstoffdüse definiert ist, die sich axial durch die Brennerkappenanordnung erstreckt.
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Jedes der oben erwähnten Verfahren kann ferner ein Leiten von verdichteter Luft in das Kopfende über den kreisringförmigen Strömungskanal und ein Mischen der Auslasskühlluft mit der verdichteten Luft aufweisen.
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Jedes der oben erwähnten Verfahren kann außerdem ein strömungsmäßiges Isolieren der Auslasskühlluft von der Kühlluft in dem zweiten Kühlluftsammelraum über das Rohr aufweisen.
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Dem Fachmann werden die Merkmale und Aspekte solcher und weiterer Ausführungsformen nach dem Lesen der Beschreibung verständlicher.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine vollständige und in die Praxis umsetzbare Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die den für den Fachmann besten Modus der Erfindung beinhaltet, ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren spezieller beschrieben:
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1 veranschaulicht ein funktionales Diagramm einer beispielhaften Gasturbine, die wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwenden kann;
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2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Abschnitts eines beispielhaften Verbrennungsabschnitts einer Gasturbine, die einen beispielhaften Brenner verwendet, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt eine vergrößerte quergeschnittene perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Brenners, wie er in 2 gezeigt ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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4 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt einer beispielhaften Brennerkappenanordnung des Brenners, wie er in 3 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt eine vergrößerte quergeschnittene perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Brenners, wie er in 2 gezeigt ist, die ein betriebsfähiges Strömgungsdiagramm des in 2 gezeigten Brenners veranschaulicht, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zur Nutzung von Kühlluft in dem in 2 gezeigten Brenner, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung eingegangen, wobei ein oder mehrere der Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet alphanumerische Bezeichnungen, um auf Merkmale in den Figuren Bezug zu nehmen. In den Figuren und in der Beschreibung wurden übereinstimmende oder ähnliche Bezeichnungen verwendet, um auf übereinstimmende oder ähnliche Elemente der Erfindung Bezug zu nehmen. In dem hier verwendeten Sinne können die Begriffe "erster", "zweiter" und "dritter" untereinander austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer weiteren zu unterscheiden und nicht um den Ort oder die Bedeutung der einzelnen Komponenten festzulegen.
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Die Begriffe "stromaufwärts" und "stromabwärts" bezeichnen die relative Richtung in Bezug auf den Fluidstrom in einem Strömungspfad. Beispielsweise bezeichnet "stromaufwärts" die Richtung, aus der das Fluid strömt, und "stromabwärts" bezeichnet die Richtung, in der das Fluid strömt. Der Begriff "radial" bezeichnet die relative Richtung, die zu einer axialen Mittellinie eines speziellen Bauteils im Wesentlichen rechtwinklig ist und/oder mit ihr einen Winkel bildet, und der Begriff "axial" bezeichnet die relative Richtung, die im Wesentlichen parallel und/oder koaxial zu einer axialen Mittellinie eines speziellen Bauteils ausgerichtet ist.
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Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang oder Gegenstand der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, auf eine andere Ausführungsform angewendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abweichungen abdecken, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen. Obwohl hier ein Brenner für eine industrielle oder landgebundene Gasturbine gezeigt und beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Brenner für eine landgebundene und/oder industrielle Gasturbine beschränkt, es sei denn, dies ist in den Ansprüchen anderweitig spezifiziert. Beispielsweise kann die Erfindung, wie sie hier beschrieben ist, in einem Brenner für eine Luftfahrzeuggasturbine oder Schiffsgasturbine genutzt werden.
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Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet sind, zeigt 1 ein funktionelles Blockdiagramm einer beispielhaften Gasturbine 10, die unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden kann. Wie gezeigt, weist die Gasturbine 10 allgemein einen Einlassabschnitt 12 auf, der eine Reihe von Filtern, Kühlschlangen, Feuchtigkeitsseparatoren und/oder andere Vorrichtungen enthalten kann, um ein Arbeitsfluid (z.B. Luft) 14, das/die in die Gasturbine 10 eintritt, zu reinigen und in sonstiger Weise zu konditionieren. Das Arbeitsfluid 14 strömt zu einem Verdichterabschnitt, wo ein Verdichter 16 dem Arbeitsfluid in fortschreitendem Maße kinetische Energie 14 verleiht, um verdichtete oder Druckluft 18 hervorzubringen.
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Die verdichtete Luft 18 wird mit einem Brennstoff 20 aus einer Brennstoffquelle 22, beispielsweise einer Brennstoffrutsche, vermischt, um in einer oder mehreren Brennern 24 ein entzündbares Gemisch zu bilden. Das entzündbare Gemisch wird verbrannt, um Verbrennungsgase 26 zu erzeugen, die hohe Temperatur, hohen Druck und hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Verbrennungsgase 26 strömen durch eine Turbine 28 eines Turbinenabschnitts, um Arbeit zu verrichten. Beispielsweise kann die Turbine 28 mit einer Welle 30 verbunden sein, so dass eine Drehung der Turbine 28 den Verdichter 16 antreibt, um die verdichtete Luft 18 hervorzubringen. Alternativ oder darüber hinaus kann die Welle 30 die Turbine 28 mit einem Generator 32 verbinden, um Elektrizität zu erzeugen. Abgase 34 von der Turbine 28 strömen durch einen Auslassabschnitt 36, der die Turbine 28 mit einem Abgasschacht 38 stromabwärts der Turbine 28 verbindet. Der Auslassabschnitt 36 kann beispielsweise einen (nicht gezeigten) Abhitzedampferzeuger enthalten, der dazu dient, die Abgase 34 zu reinigen und ihnen zusätzliche Wärme zu entziehen, bevor sie in die Umgebung entlassen werden.
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2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Abschnitts eines beispielhaften Brenners 24 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, ist der Brenner 24 zumindest teilweise von wenigstens einem Außengehäuse 40, beispielsweise einem Verdichterauslassgehäuse, umgeben. Das Außengehäuse 40 befindet sich in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Verdichter 16 (1), um wenigstens einen Teil der verdichteten Luft 18 von ihm aufzunehmen. In einer Konstruktion ist eine Endabdeckung 42, wie in 2 gezeigt, mit dem äußeren Gehäuse 40 verbunden. Das Außengehäuse 40 und/oder die Endabdeckung 42 bilden zumindest teilweise eine Hochdruckkammer 44, die den Brenner 24 wenigstens teilweise umgibt.
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Wenigstens eine Brennstoffdüse 46 erstreckt sich in dem Außengehäuse 40 axial in Bezug auf eine axiale Mittellinie des Brenners 24. In speziellen Konstruktionen kann der Brenner 24 mehrere Brennstoffdüsen 46 enthalten, die sich in dem Außengehäuse 40 in axialer Richtung erstrecken. Die Brennstoffdüse 46 kann an einem ersten Ende mit der Endabdeckung 42 verbunden sein. Ein oder mehrere Flammrohre 48, beispielsweise eine Brennkammerwand oder ein Übergangskanal, erstrecken sich stromabwärts der Brennstoffdüse 46 und können in dem Außengehäuse 40 zumindest teilweise eine Verbrennungsreaktionszone oder Kammer 50 definieren. Darüber hinaus kann das Flammrohr 48 zumindest teilweise einen kreisringförmigen Strömungskanal 52 in dem Außengehäuse 40 definieren. In speziellen Ausführungsformen kann der kreisringförmige Strömungskanal 52 außerdem durch das Außengehäuse 40, die Endabdeckung 42 und/oder andere Flammrohre oder Merkmale definiert sein, die in dem Außengehäuse 40 ausgebildet sind. Der kreisringförmige Strömungskanal 52 definiert einen Fluidströmungspfad zum Verzweigen wenigstens eines Teils der verdichteten Luft 18 von dem Hochdrucksammelraum 44 und/oder von dem Verdichter 16 (1) in Richtung eines Kopfstückabschnitts 54 der Endabdeckung 42.
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In speziellen Ausführungsformen enthält die Brennstoffdüse 46 ein äußeres Hülsen- oder Brennerrohr 56. Das Brennerrohr 56 umgibt wenigstens einen Abschnitt eines zentralen Körpers oder einer Düse 58, um dazwischen wenigstens teilweise einen kreisringförmigen oder Vormischkanal 60 zu bilden. Das Brennerrohr 56 weist einen Einlass 62 zu dem Vormischkanal 60 auf, der in der Nähe der Endabdeckung 40 definiert ist und sich in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Kopfende 54 befindet. Der Vormischkanal 60 befindet sich in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Kopfende 54. In speziellen Ausführungsformen enthält und/oder definiert das Brennerrohr 56 mindestens eine radiale Öffnung 64. Die radiale Öffnung 64 stellt eine strömungsmäßige Verbindung durch das Brennerrohr 56 hindurch und in den kreisringförmigen Strömungskanal 60 bereit, der zwischen dem zentralen Körper 58 und dem Brennerrohr 56 ausgebildet ist.
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In speziellen Konstruktionen weist die Brennstoffdüse 46 mehrere Drall- oder Umlenkschaufeln 66 auf, die sich ausgehend von dem zentralem Körper 58 in Richtung des Brennerrohrs 56 in dem Vormischkanal 60 radial nach außen erstrecken. Sämtliche oder einige der Drallschaufeln 66 können eine oder mehrere (nicht gezeigte) Brennstoffeinspritzöffnungen enthalten. Im Betrieb verleihen die Drallschaufeln 66 einer Vormisch- oder Verbrennungsteilmenge 68 der verdichteten Luft 18 eine Winkelverwirbelung, während sie über die Drallschaufeln 66 und durch den kreisringförmigen Strömungskanal 60 strömt, um die Vorvermischung von Brennstoff und der Vormischteilmenge 68 der verdichteten Luft 18 stromaufwärts der Verbrennungszone 50 zu verfeinern. Die radiale Öffnung 64 kann an einer beliebigen axialen Position entlang des Brennerrohrs 56 angeordnet sein. Beispielsweise kann die radiale Öffnung 64 stromaufwärts, in Nähe oder stromabwärts der Drallschaufeln 66 ausgebildet sein.
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In speziellen Konstruktionen bildet der zentrale Körper 58 zumindest teilweise einen Spül- oder Zündluftkanal 70 zum Verzweigen verdichteter Luft durch den zentralen Körper 58 mit Blick auf eine Spülungs-, Kühlungs- und/oder gesteuerten Verbrennungsbetrieb. In einer Ausführungsform weist der zentrale Körper 58 wenigstens eine Öffnung 72 auf. Die eine oder mehrere Öffnungen 72 stellen eine strömungsmäßige Verbindung durch den zentralen Körper 58 hindurch in den Spül- oder Zündluftkanal 70 bereit. In einer Ausführungsform stellen die eine oder mehrere Öffnungen 72 eine strömungsmäßige Verbindung zwischen mindestens dem Vormischkanal 60 und/oder dem Kopfende 54 und dem Spül- oder Zündluftkanal 70 bereit.
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In vielfältigen Ausführungsformen erstreckt sich wenigstens ein Abschnitt der Brennstoffdüse(n) 46 axial durch eine Brennerkappenanordnung 100. Die Brennstoffdüse(n) 46 und die Brennerkappenanordnung 100 können einzeln oder als ein System mit Blick auf eine Nutzung von Kühlluft und/oder verdichteter Luft in dem Brenner 24 bereitgestellt sein. 3 zeigt eine vergrößerte geschnittene Seitenansicht des in 2 gezeigten Brenners 24 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt, erstreckt sich die Brennerkappenanordnung 100 in dem Außengehäuse 40 radial, entlang des Umfangs und axial. Die Brennerkappenanordnung 100 weist wenigstens eine ringförmig gestaltete Umhüllung 102 auf, die wenigstens einen Abschnitt der Brennstoffdüse 46 umgibt. Die Umhüllung 102 kann eine einzelne oder einstückige Umhüllung sein oder auf mehreren Umhüllungen basieren, die an ihren entsprechenden Enden oder in deren Nähe durch Schrauben/Bolzen, Schweißen oder ein beliebiges sonstiges mechanisches Befestigungsmittel miteinander verbunden sind, um eine einzelne kreisringförmig ausgebildete Umhüllung zu bilden. In speziellen Ausführungsformen definiert die Umhüllung 102 zumindest teilweise den kreisringförmigen Strömungskanal 52 in dem Außengehäuse 40.
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In speziellen Ausführungsformen enthält die Brennerkappenanordnung 100 eine Effusions- oder Kappenplatte 104, eine erste Aufteilungsplatte 106 und eine zweite Aufteilungsplatte 108. Die Kappenplatte 104 erstreckt sich in Bezug auf eine axiale Mittellinie 112 der Brennerkappenanordnung 100 axial, radial und entlang des Umfangs über ein hinteres Ende 110 der Brennerkappenanordnung 100. In speziellen Ausführungsformen ist die Kappenplatte 104 allgemein massiv oder kontinuierlich. In speziellen Ausführungsformen kann die Kappenplatte 104 mehrere Kühlungs-/Effusionsöffnungen oder Durchlasskanäle 114 aufweisen. In speziellen Ausführungsformen kann die Kappenplatte 104 zumindest teilweise einen oder mehrere Brennstoffdüsenpassagen 116 bilden, die darin ausgebildet sind, um die Brennstoffdüse(n) 46 aufzunehmen.
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In speziellen Ausführungsformen erstreckt sich die erste Aufteilungsplatte 106 in Bezug auf die Mittellinie 112 axial, radial und entlang des Umfangs innerhalb der Umhüllung 102 stromaufwärts der Kappenplatte 104. Die erste Aufteilungsplatte 106 ist von der Kappenplatte 104 axial beabstandet und erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Kappenplatte 104. Die erste Aufteilungsplatte 106 und die Kappenplatte 104 bilden dazwischen zumindest teilweise einen ersten Kühlluftsammelraum 118.
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In einer Ausführungsform kann die erste Aufteilungsplatte 106 eine oder mehrere Prallöffnungen 120 aufweisen und/oder definieren, die für eine strömungsmäßige Verbindung durch die erste Aufteilungsplatte 106 hindurch und in den ersten Kühlluftsammelraum 118 hinein bereitgestellt sind. In vielfältigen Ausführungsformen bildet die erste Aufteilungsplatte 106 zumindest teilweise einen oder mehrere Brennstoffdüsenpassagen 122, um die Brennstoffdüse(n) 46 aufzunehmen. In speziellen Ausführungsformen sind der eine oder mehrere Brennstoffdüsenpassagen 122 mit dem einen oder mehreren Brennstoffdüsenpassagen 116 der Kappenplatte 104 konzentrisch fluchtend ausgerichtet.
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In speziellen Ausführungsformen erstreckt sich die zweite Aufteilungsplatte 108 in Bezug auf die Mittellinie 112 axial, radial und entlang des Umfangs innerhalb der Umhüllung 102 stromaufwärts der ersten Aufteilungsplatte 106. Die zweite Aufteilungsplatte 108 ist axial beabstandet von der ersten Aufteilungsplatte in der Nähe des Einlasses 62 des Brennerrohrs 56 angeordnet. In speziellen Ausführungsformen ist die zweite Aufteilungsplatte 108 im Wesentlichen parallel zu der ersten Aufteilungsplatte 106. Die zweite Aufteilungsplatte 108 und die erste Aufteilungsplatte 106 bilden dazwischen zumindest teilweise einen zweiten Kühlluftsammelraum 124. In vielfältigen Ausführungsformen definiert die zweite Aufteilungsplatte 108 zumindest teilweise einen oder mehrere Brennstoffdüsenpassagen 126 für die Aufnahme der Brennstoffdüse(n) 46. In speziellen Ausführungsformen sind die eine oder mehrere Brennstoffdüsenpassagen 126 mit dem einen oder mehreren Brennstoffdüsenpassagen 116 der Kappenplatte 104 und/oder dem einen oder mehreren Brennstoffdüsenpassagen 122 der ersten Aufteilungsplatte 106 konzentrisch fluchtend ausgerichtet.
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In speziellen Konstruktionen enthält die Brennerkappenanordnung 100 eine äußere Stützmanschette 128. 4 zeigt eine quergeschnittene perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Brennerkappenanordnung 100, die einen Abschnitt der Umhüllung 102, die Kappenplatte 104, die erste Aufteilungsplatte 106 und die äußere Stützmanschette 128 enthält, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in den 3 und 4 gezeigt, erstreckt sich die äußere Stützmanschette 128 axial, radial und entlang des Umfangs von der Umhüllung 102 in Richtung des Außengehäuses 40 (3) innerhalb des kreisringförmigen Strömungskanals 52 (3).
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In einer Ausführungsform verbindet die äußere Stützmanschette 128, wie in 3 gezeigt, die Brennerkappenanordnung 100 mit dem äußeren Gehäuse 40. In einer Ausführungsform ist die äußere Stützmanschette 128, wie in 3 und 4 gezeigt, zumindest teilweise mit einem oder mehreren Durchlasskanäle 130 ausgebildet. Der eine oder mehrere Durchlasskanäle 130 stellen einen Strömungspfad für eine strömungsmäßige Verbindung zwischen der Hochdruckkammer 44 (2) und dem zweiten Kühlluftsammelraum 124 bereit. Wie in den 3 und 4 gezeigt, können sich der eine oder mehrere Durchlasskanäle 130 durch die äußere Stützmanschette 128 in Bezug auf die Mittellinie 112 allgemein oder im Wesentlichen radial erstrecken. In speziellen Ausführungsformen kann die äußere Stützmanschette 128 mit mehreren sich axial erstreckenden Durchgangslöchern 132 ausgebildet sein. Die Durchgangslöcher 132 können eine Strömungskonditionierung eines Teils der verdichteten Luft 18 ermöglichen, während diese durch den kreisringförmigen Strömungskanal 52 in Richtung des Kopfendes 54 strömt. Beispielsweise können die Durchgangslöcher 132 einen Druck oder eine Strömungsgeschwindigkeit an dem Kopfende 54 reduzieren.
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In vielfältigen Ausführungsformen weist die Brennerkappenanordnung 100, wie insgesamt in 3 und 4 gezeigt, mehrere Rohre 134 auf. Jedes Rohr 134 erstreckt sich ausgehend von einer entsprechenden Öffnung 136, die innerhalb der und/oder durch die erste Aufteilungsplatte 106 hindurch ausgebildet ist, durch den zweiten Kühlluftsammelraum 124 und in Richtung des Kopfendes 54 (3) des Brenners 24. In speziellen Ausführungsformen erstrecken sich die Rohre 134, wie in 3 gezeigt, durch die zweite Aufteilungsplatte 108 in Richtung des Kopfendes 54. Jedes Rohr 134 weist einen Auslass 138 auf.
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Die Rohre 134 stellen eine strömungsmäßige Verbindung von dem ersten Kühlluftsammelraum 118, durch den zweiten Kühlluftsammelraum 124 hindurch und bis zu dem Kopfende 54 des Brenners 24 oder wenigstens in dessen Richtung bereit. Die Rohre 134 können einen Strom eines Kühlmittels, beispielsweise verdichteter Luft, im Wesentlichen von dem Kühlluftsammelraum 124 isolieren. Die Rohre 134 können sich in Bezug auf die Mittellinie 112 im Wesentlichen axial erstrecken. In weiteren Ausführungsformen können die Rohre 134, wie über gestrichelte Linien in 3 veranschaulicht, gekrümmt oder anderweitig nicht geradlinig sein, um einen gewundenen Strömungspfad durch den zweiten Kühlluftsammelraum 124 hindurch zu definieren. Jedes Rohr 134 weist einen Auslass auf.
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In speziellen Ausführungsformen ist der Auslass 138 wenigstens eines der Rohre 134, wie in 3 mit gestrichelten Linien gezeigt, stromaufwärts und/oder in der Nähe des Einlasses 62 zu dem kreisringförmigen Strömungskanal 60 des Brennerrohrs 56 angeordnet. In speziellen Ausführungsformen ist der Auslass 138 wenigstens eines der Rohre 134, wie in 3 gezeigt, stromaufwärts und/oder in der Nähe der radialen Öffnung 64 angeordnet, die in dem Brennerrohr 56 ausgebildet ist. In speziellen Ausführungsformen ist der Auslass 138 wenigstens eines der Rohre 134, wie in 3 gezeigt, stromaufwärts und/oder in der Nähe der Öffnung(en) des zentralen Körpers 58 angeordnet.
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5 zeigt eine vergrößerte geschnittene Seitenansicht des Brenners 24 und veranschaulicht ein Strömungsdiagramm eines Abschnitts des Brenners 24 im Betrieb, wie hier beschrieben und in 2, 3 und 4 dargestellt, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Im Betrieb wird ein Teil der verdichteten Luft 18 als Kühlluft 200 bei einer ersten Temperatur (T1) von dem Hochdrucksammelraum 44 in den zweiten Kühlluftsammelraum 124 verzweigt. T1 kann im Wesentlichen gleich der Temperatur der verdichteten Luft 18 in der Hochdruckkammer 44 sein. In speziellen Ausführungsformen wird die Kühlluft 200 über den einen oder mehrere Durchlasskanäle 130 in den zweiten Kühlluftsammelraum 124 verzweigt.
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Die Kühlluft 200 strömt durch die Prallöffnungen 120 und in den ersten Kühlluftsammelraum 118. Die Prallöffnungen 120 können dazu eingerichtet oder geformt sein, einen Strahl oder eine Säule der Kühlluft 200 gegen eine Vorderoder Kaltseitenoberfläche 140 der Kappenplatte 104 zu lenken, so dass dadurch wenigstens Aufprall-/Strahlkühlung und/oder konvektive Kühlung für die Kappenplatte 104 bereitgestellt ist. Der Kappenplatte 104 entnommene thermische Energie erhöht die Temperatur der Kühlluft 200 in dem ersten Kühlluftsammelraum auf eine zweite Temperatur (T2).
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Auslasskühlluft 202 strömt über die Rohre 134 aus dem ersten Kühlluftsammelraum 118 bei einer Temperatur T2. Die Rohre 134 verzweigen die Auslasskühlluft 202 durch den zweiten Kühlluftsammelraum 124 und durch die zweite Aufteilungsplatte 108. In speziellen Ausführungsformen isolieren die Rohre 134 die Auslasskühlluft 202 in den Rohren strömungsmäßig von frischer Kühlluft 200, die von dem Hochdrucksammelraum 44 in den zweiten Kühlluftsammelraum 124 strömt. Die Auslasskühlluft 202 verlässt jeden entsprechenden Auslass 138 des Rohrs 134 an einer Stelle, die sich zwischen der zweiten Aufteilungsplatte 108 und der Endabdeckung 42 außerhalb des zweiten Kühlluftsammelraums 124 befindet, beispielsweise an dem oder in der Nähe des Kopfendes 54 des Brenners 24.
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In einer Ausführungsform strömt wenigstens ein Teil der Auslasskühlluft 202 durch die eine oder mehreren radialen Öffnungen 64, die in dem Brennerrohr 56 ausgebildet sind, und tritt in den Vormischkanal 60 der Brennstoffdüse 46 ein. Die Auslasskühlluft 202 kann in Abhängigkeit von der axialen Stelle des radialen Durchlasskanals 66, beispielsweise stromaufwärts, in Nähe oder stromabwärts der Drallschaufeln 66, an irgendeinem beliebigen Punkt entlang des Brennerrohrs 56 in den Vormischkanal 60 eintreten. Somit kann die Auslasskühlluft 202 genutzt werden, um den Vormischkanal 60 zu spülen. Zusätzlich oder in der Alternative kann die Auslasskühlluft 202 bei einer Temperatur T2, die höher ist als die Temperatur eines Hauptteils 204 der verdichteten Luft 18, die von dem Hochdrucksammelraum 44 zu dem Kopfende bei einer dritten Temperatur (T3) strömt, genutzt werden, um eine Brennstoff-Luft-Vorvermischung in dem Vormischkanal 60 zu verfeinern, so dass der Gesamtwirkungsgrad des Brenners gesteigert wird.
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In einer Ausführungsform strömt der Hauptteil 204 der verdichteten Luft 18 durch die Durchgangslöcher 132 der äußeren Stützmanschette 128 stromaufwärts des Kopfendes 54, so dass die Strömungsgeschwindigkeit oder andere Strömungseigenschaften des Hauptteils 204 der verdichteten Luft 18 konditioniert oder modifiziert werden, während sie in Richtung des Kopfendes 54 strömt. Zumindest ein Teil des Hauptteils 204 der verdichteten Luft 18 kann sich mit der Auslasskühlluft 202 in der Nähe von und/oder an dem Kopfende 54 des Brenners 24 vermischen.
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In einer Ausführungsform strömt wenigstens ein Teil der Auslasskühlluft 202 über die eine oder mehrere Öffnungen 72, die in dem zentralen Körper 58 ausgebildet sind, in den Spül- oder Zündluftkanal 70. Somit kann die Auslasskühlluft 202 genutzt werden, um den zentralen Körper 58 zu spülen, und/oder kann für einen pilotgestützten Betrieb des Brenners genutzt werden.
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Die erneute Einführung der Auslasskühlluft 202 in den Vormischkanal 60 und/oder in den Spül- oder Zündluftkanal 70 vermehrt die Menge verdichteter Luft, die zur Verbrennung, Kühlung und/oder Spülung verfügbar ist. Infolgedessen kann ein größerer Teil der von dem Hochdrucksammelraum stammenden verdichteten Luft 18 genutzt werden, um das eine oder mehrere Flammrohre 48 und/oder andere Metallteile in den Brennern 24 und/oder der Turbine 28 zu kühlen. Darüber hinaus kann eine erneute Nutzung der Auslasskühlluft 202 für die Spülung des Spül- oder Zündluftkanals 70 aufgrund der Tatsache, dass die Auslasskühlluft bei einer Temperatur T2 bereitgestellt wird, die höher ist als T1 und T3, zu einer Verringerung von Triebwerksemissionen führen.
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Die unterschiedlichen Ausführungsformen, wie sie im Vorliegenden beschrieben sind und in 2 bis 5 dargestellt sind, stellen ein Verfahren 300 zur Nutzung der Kühlluft 200 in dem Brenner 24 bereit. 6 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In Schritt 302 enthält das Verfahren 300 ein Leiten der Kühlluft 200 von dem kreisringförmigen Strömungskanal 52, der in dem Brenner 24 definiert ist, in den zweiten Kühlluftsammelraum 124, wobei der kreisringförmige Strömungskanal 52 sich in strömungsmäßiger Verbindung mit der Hochdruckkammer 44 befindet. In Schritt 304 enthält das Verfahren 300 ein Leiten der Kühlluft 200 durch die erste Aufteilungsplatte 106 hindurch und in den ersten Kühlluftsammelraum 118, so dass die Kühlluft 200 auf die Kaltseite 140 der Kappenplatte 104 der Brennerkappenanordnung 100 prallt, um sie zu kühlen. In Schritt 306 enthält das Verfahren 300 ein Verzweigen von Auslasskühlluft 202 aus dem ersten Kühlluftsammelraum 118 heraus zu dem Kopfendeabschnitt 54 des Brenners 24 über das Rohr 134. Das Rohr 134 erstreckt sich ausgehend von einer Öffnung 136, die in der ersten Aufteilungsplatte 106 ausgebildet ist, durch den zweiten Kühlluftsammelraum 124 und durch die zweite Aufteilungsplatte 108, wobei die zweite Aufteilungsplatte 108 zumindest teilweise den zweiten Kühlluftsammelraum 124 bildet.
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In weiteren Ausführungsformen enthält das Verfahren 300 ein Leiten der Auslasskühlluft 202 in den Spülluftkanal 70, der in dem zentralen Körper 58 der Brennstoffdüse 46 ausgebildet ist. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren 300 ferner ein Leiten der Auslasskühlluft 202 in den Vormischkanal 60 der Brennstoffdüse 46. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren 300 ein Leiten der verdichteten Luft 18 von dem Hochdrucksammelraum 44 über den kreisringförmigen Strömungskanal 52 in das Kopfende 54 und ein Mischen der Auslasskühlluft 202 mit der verdichteten Luft 18. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren 300 mittels des Rohrs 134 ein strömungsmäßiges Isolieren der Auslasskühlluft 202 von der Kühlluft 200, die in den zweiten Kühlluftsammelraum 124 strömt. In weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren 300 ein Leiten der Auslasskühlluft 202 in den Vormischkanal 60 stromaufwärts, in Nähe oder stromabwärts der Drallschaufeln 66 aufweisen.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich beliebige Vorrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die nur unwesentlich von dem Wortsinn der Ansprüche abweichen.
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Ein System zur Nutzung von Kühlluft in einem Brenner enthält eine Brennstoffdüse, die einen sich axial erstreckenden zentralen Körper, ein Brennerrohr, das wenigstens einen Abschnitt des zentralen Körpers umgibt, und einen Vormischkanal aufweist, der zwischen dem zentralen Körper und dem Brennerrohr ausgebildet ist. Das System enthält ferner eine Brennerkappenanordnung, die einen ersten Kühlluftsammelraum, der zwischen einer Kappenplatte und einer ersten Aufteilungsplatte ausgebildet ist, einen zweiten Kühlluftsammelraum, der stromaufwärts des ersten Kühlluftsammelraums zwischen einer zweiten Aufteilungsplatte und der ersten Aufteilungsplatte ausgebildet ist, und ein Rohr aufweist, das eine strömungsmäßige Verbindung von dem ersten Kühlluftsammelraum, durch den zweiten Kühlluftsammelraum und durch die zweite Aufteilungsplatte bereitstellt. Das System schafft ein Verfahren zur Nutzung der Kühlluft in dem Brenner. BEZUGSZEICHENLISTE
| Bezugszeichen | Bauteil |
| 10 | Gasturbine |
| 12 | Einlassabschnitt |
| 14 | Arbeitsfluid/Luft |
| 16 | Verdichter |
| 18 | Verdichtete Luft |
| 20 | Brennstoff |
| 22 | Brennstoffquelle |
| 24 | Brenner |
| 26 | Verbrennungsgase |
| 28 | Turbine |
| 30 | Welle |
| 32 | Generator/Motor |
| 34 | Abgase |
| 36 | Auslassabschnitt |
| 38 | Abgasschacht |
| 40 | Außengehäuse |
| 42 | Endabdeckung |
| 44 | Hochdrucksammelraum |
| 46 | Brennstoffdüse |
| 48 | Flammrohr |
| 50 | Verbrennungs-/Reaktionszone |
| 52 | Kreisringförmiger Strömungskanal |
| 54 | Kopfende |
| 56 | Äußeres Hülsen/Brennerrohr |
| 58 | Körper |
| 60 | Kreisringförmiger/Vormischkanal |
| 62 | Einlass |
| 64 | Radiale Öffnung |
| 66 | Drall-/Umlenkschaufel |
| 68 | Vormischteilmenge verdichteter Luft |
| 70 | Spül-/Zündluftkanal |
| 72 | Öffnung-Körper |
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| 100 | Brennerkappenanordnung |
| 102 | Umhüllung |
| 104 | Effusions-/Kappenplatte |
| 106 | Aufprallplatte |
| 108 | Aufteilungsplatte |
| 110 | Hinteres Ende |
| 112 | Mittellinie |
| 114 | Kühlungs-/Effusionsöffnung |
| 116 | Brennstoffdüsenkanal |
| 118 | Aufprallsammelraum |
| 120 | Prallöffnung |
| 122 | Brennstoffdüsenkanal |
| 124 | Kühlluftsammelraum |
| 126 | Brennstoffdüsenkanal |
| 128 | Äußere Stützmanschette |
| 130 | Durchlasskanal |
| 132 | Durchgangsloch |
| 134 | Rohr |
| 136 | Öffnung |
| 138 | Auslass |
| 140 | Kaltseite |
| 141–199 | NICHT VERWENDET |
| | |
| 200 | Kühlluft |
| 202 | Auslasskühlluft |
| 204 | Primäre Teilmenge verdichteter Luft |
| 205–299 | NICHT VERWENDET |
| | |
| 300 | Verfahren |
| 302 | Schritt |
| 304 | Schritt |
| 306 | Schritt |
