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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Gasturbine, die einen mit Luft vermischten Kohlenwasserstoffbrennstoff verbrennt, um einen Hochtemperaturgasstrom zu erzeugen, der Turbinenlaufschaufeln antreibt, um eine Welle, die mit den Laufschaufeln verbunden ist, in Drehung zu versetzen. Insbesondere, aber nicht als Einschränkung, betrifft die Erfindung Brennkammerbrennstoffdüsen, die Pilotdüsen enthalten, die einen Brennstoff und Luft vorvermischen, um geringere Stickoxidwerte zu erzielen.
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Gasturbinen werden weithin verwendet, um für zahlreiche Anwendungen Leistung zu erzeugen. Eine herkömmliche Gasturbine umfasst einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. In einer typischen Gasturbine führt der Verdichter der Brennkammer verdichtete Luft zu. Die in die Brennkammer eintretende Luft wird mit Brennstoff vermischt und verbrannt. Heiße Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer ausgelassen und strömen in die Laufschaufeln der Turbine, um die mit den Laufschaufeln verbundene Welle der Turbine in Drehung zu versetzen. Ein Teil dieser mechanischen Energie der rotierenden Welle treibt den Verdichter und/oder sonstige mechanische Systeme an.
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Da behördliche Bestimmungen die Freisetzung von Stickoxiden in die Atmosphäre missbilligen, wird angestrebt, deren Erzeugung als Nebenprodukte des Betriebs von Gasturbinen unterhalb zulässiger Pegel zu halten. Ein Ansatz, um solche Bestimmungen einzuhalten, besteht darin, von Diffusionsflammen-Brennkammern zu Brennkammern zu wechseln, die magere Brennstoff-Luft-Gemische in einem vollständig vorvermischten Betriebsmodus verwenden, um Emissionen von beispielsweise Stickoxiden (üblicherweise mit NOx bezeichnet) und Kohlenstoffmonoxid (CO) zu reduzieren. Diese Brennkammern sind verschiedentlich auf dem Fachgebiet als Dry Low NOx (DLN) (trockene Nieder-NOx-), Dry Low Emissions (DLE) (trockene emissionsarme) oder Lean Premixed(LPM)-(magere Vormisch-)Verbrennungssysteme bekannt.
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Eine Brennstoff-Luft-Vermischung beeinflusst sowohl die Stickoxidpegel, die in den heißen Verbrennungsgasen einer Gasturbine erzeugt werden, als auch die Maschinenleistungsfähigkeit. Eine Gasturbine kann eine oder mehrere Brennstoffdüsen verwenden, um Luft und Brennstoff aufzunehmen, um die Brennstoff-Luft-Vermischung in der Brennkammer zu unterstützen. Die Brennstoffdüsen können in einem Kopfende der Brennkammer angeordnet sein und können dazu eingerichtet sein, eine Luftströmung aufzunehmen, der mit einem Brennstoffeintrag vermischt wird. Jede Brennstoffdüse kann typischerweise intern durch einen Mittelkörper gehaltert sein, der innerhalb der Brennstoffdüse angeordnet ist, und eine Pilotdüse kann an dem stromabwärtigen Ende des Mittelkörpers angeordnet sein. Wie beispielsweise in der
US-Patentschrift mit der Nummer 6,438,961 beschrieben, die durch diese Bezugnahme in ihrer Gesamtheit für sämtliche Zwecke hier aufgenommen ist, kann eine sogenannte Swozzle (integrierter Verwirbler mit Düse) an der Außenseite des Mittelkörpers befestigt und stromaufwärts von der Pilotdüse angeordnet sein. Die Swozzle weist gekrümmte Leitschaufeln auf, die sich von dem Mittelkörper aus radial über einen ringförmigen Strömungskanal hinweg erstrecken und von denen Brennstoff in den ringförmigen Strömungskanal eingeleitet wird, um in einem Luftstrom mitgeschleppt zu werden, der durch die Leitschaufeln der Swozzle verwirbelt wird.
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Verschiedene Parameter, die den Verbrennungsprozess in der Gasturbine beschreiben, korrelieren mit der Erzeugung von Stickoxiden. Höhere Gastemperaturen in der Verbrennungsreaktionszone sind beispielsweise für die Erzeugung höherer Stickoxidmengen verantwortlich. Eine Weise zur Verringerung dieser Temperaturen besteht darin, das Brennstoff-Luft-Gemisch vorzuvermischen und das Verhältnis von Brennstoff zu Luft, die verbrannt wird, zu reduzieren. Wenn das Verhältnis von Brennstoff zu Luft, die verbrannt wird, verringert wird, wird auch die Menge an Stickoxiden verringert. Es gibt jedoch einen Kompromiss bei der Leistungsfähigkeit der Gasturbine. Denn, wenn das Verhältnis von Brennstoff zu Luft, die verbrannt wird, verringert wird, besteht eine erhöhte Tendenz, dass die Flamme der Brennstoffdüse ausgeht und somit den Betrieb der Gasturbine instabil macht. Es ist eine Pilotdüse vom Diffusionsflammentyp zur besseren Flammenstabilisierung in einer Brennkammer verwendet worden, aber ihre Verwendung erhöht die NOx-Emissionen. Folglich bleibt ein Bedarf nach verbesserten Pilotdüsenanordnungen, die Flammenstabilisierungsvorteile bieten, während sie auch die NOx-Emissionen, die im Allgemeinen mit Pilotdüsen verbunden sind, minimieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine. Die Brennstoffdüse kann enthalten: einen axial länglichen Mittelkörper; eine axial längliche Umfangswand, die um den Mittelkörper herum gebildet ist, um einen primären Strömungsringraum dazwischen zu definieren; eine primäre Brennstoffzuführung und eine primäre Luftzuführung in Fluidverbindung mit einem stromaufwärtigen Ende des primären Strömungsringraums; und eine Pilotdüse. Die Pilotdüse kann in dem Mittelkörper gebildet sein, der enthält: axial längliche Mischrohre, die innerhalb einer Mittelkörperwand definiert sind, wobei sich jedes der Mischrohre zwischen einem Einlass, der durch eine stromaufwärtige Stirnfläche der Pilotdüse definiert ist, und einem Auslass erstreckt, der durch eine stromabwärtige Stirnfläche der Pilotdüse gebildet ist; eine Brennstofföffnung, die zwischen dem Einlass und dem Auslass jedes der Mischrohre zur Verbindung jedes der Mischrohre mit einer sekundären Brennstoffzuführung angeordnet ist; und eine sekundäre Luftzuführung, die eingerichtet ist, um mit dem Einlass jedes der Mischrohre in Fluidverbindung zu stehen. Mehrere der Mischrohre können als schräggestellte Mischrohre ausgebildet sein, die bezüglich der Mittelachse gewinkelt sind, um eine wirbelnde Strömung um die Mittelachse herum in einem gemeinsamen Auslass daraus herbeizuführen.
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In einer Ausführungsform können die schräggestellten Mischrohre an dem Auslass, der durch die stromabwärtige Stirnfläche der Pilotdüse gebildet ist, jeweils eine tangential gewinkelte Ausrichtung bezüglich der Mittelachse der Brennstoffdüse aufweisen, wobei der gemeinsame Auslass einen kombinierten Brennstoff- und Luftauslass aus den mehreren schräggestellten Mischrohren aufweisen kann und wobei die schräggestellten Mischrohre derart eingerichtet sein können, dass die wirbelnde Strömung des gemeinsamen Auslasses in die gleiche Richtung wirbelt wie eine wirbelnde Strömung, die durch Verwirblerschaufeln des primären Strömungsringraums hervorgerufen wird.
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In einer weiteren Ausführungsform können die schräggestellten Mischrohre jeweils einen Auslassabschnitt aufweisen, der einen axial schmalen stromabwärtigen Abschnitt des schräggestellten Mischrohrs aufweist, der sich neben dem Auslass befindet, wobei der Auslassabschnitt eingerichtet sein kann, um einer Ausgabe von Brennstoff und Luft daraus eine Austrittsrichtung zu verleihen, wobei die schräggestellten Mischrohre derart eingerichtet sein können, dass die Austrittsrichtung einen spitzen tangentialen Austrittswinkel bezüglich einer stromabwärtigen Fortsetzung der Mittelachse der Brennstoffdüse definiert, und wobei der tangentiale Austrittswinkel einen Winkel zwischen 10° und 70° aufweisen kann.
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In einer noch weiteren Ausführungsform können die schräggestellten Mischrohre jeweils einen Auslassabschnitt aufweisen, der einen axial schmalen stromabwärtigen Abschnitt des Mischrohrs aufweist, der sich neben dem Auslass befindet, wobei der Auslassabschnitt eine Mittelachse durch diesen hindurch definiert, wobei die schräggestellten Mischrohre derart eingerichtet sein können, dass eine Fortsetzung der Mittelachse des Auslassabschnitts einen spitzen tangentialen Austrittswinkel bezüglich einer stromabwärtigen Fortsetzung der Mittelachse der Brennstoffdüse aufweist.
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In der zuletzt erwähnten Ausführungsform können alle der Mischrohre der Pilotdüse die schräggestellten Mischrohre und eine parallele Anordnung in Bezug aufeinander aufweisen, wobei die Umfangswand und die Mittelkörperwand jeweils eine zylindrische Gestalt aufweisen können und wobei die Umfangswand um die Mittelkörperwand herum konzentrisch angeordnet sein kann und wobei der tangentiale Austrittswinkel einen Winkel zwischen 10° und 70° aufweisen kann.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Mittelkörper axial gestapelte Abschnitte aufweisen, die enthalten: einen Vorderabschnitt, der die sekundäre Brennstoffzuführung und die sekundäre Luftzuführung aufweist, und einen Hinterabschnitt, der als die Pilotdüse eingerichtet ist, wobei der Vorderabschnitt des Mittelkörpers eine sich axial erstreckende zentrale Zuführleitung und einen um die zentrale Zuführleitung gebildeten sekundären Strömungsringraum aufweisen kann, der sich axial zwischen einer mit einer Luftquelle hergestellten Verbindung, die zu einem stromaufwärtigen Ende des Mittelkörpers hin geschaffen ist, und der stromaufwärtigen Stirnfläche der Pilotdüse erstreckt, und wobei die Mittelkörperwand eine Außenwand des Mittelkörpers definieren kann und eine Außenbegrenzung des sekundären Strömungsringraums definieren kann.
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In einer bevorzugten Variante der zuletzt erwähnten Art von Brennstoffdüse kann der primäre Strömungsringraum eine Swozzle aufweisen, die mehrere Verwirblerschaufeln, die sich radial quer durch den primären Strömungsringraum erstrecken, und Brennstoffdurchgänge aufweist, die sich durch die Verwirblerschaufeln hindurch erstrecken, um so Brennstofföffnungen, die durch eine Außenfläche der Verwirblerschaufel gebildet sind, mit einem Brennstoffsammelraum zu verbinden, wobei die Verwirblerschaufeln eine tangentiale gewinkelte Ausrichtung bezüglich der Mittelachse aufweisen können, um eine stromabwärtige Strömung daraus hervorzurufen, die um die Mittelachse herum in eine erste Richtung wirbelt, und wobei die Brennstofföffnung jedes der schräggestellten Mischrohre eine seitliche Brennstofföffnung zur Einspritzung von Brennstoff durch eine Öffnung, die durch eine Seitenwand des schräggestellten Mischrohrs hindurch ausgebildet ist, aufweisen kann.
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In einer Ausführungsform der zuletzt erwähnten Variante der Brennstoffdüse kann sich die Brennstofföffnung von einer mit dem schräggestellten Mischrohr geschaffenen Verbindung aus in eine Richtung nach außen erstrecken, um so mit der sekundären Brennstoffzuführung verbunden zu sein, wobei die sekundäre Brennstoffzuführung einen Brennstoffkanal aufweisen kann, der knapp außenliegend von den schräggestellten Mischrohren und innerhalb der Mittelkörperwand ausgebildet ist.
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Zusätzlich kann der Brennstoffsammelraum innenliegend zu den Verwirblerschaufeln angeordnet sein, wobei sich der Brennstoffkanal von einer mit dem Brennstoffsammelraum geschaffenen Verbindung aus in Axialrichtung zu der stromabwärtigen Stirnfläche der Pilotdüse erstrecken kann und dazwischen Verbindungen zu den Brennstofföffnungen der schräggestellten Mischrohre aufweisen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der zuletzt erwähnten Variante der Brennstoffdüse kann sich die Brennstofföffnung von einer mit dem Mischrohr geschaffenen Verbindung aus in eine Richtung nach innen erstrecken, um so mit einem inneren Brennstoffsammelraum verbunden zu sein, der an einem stromabwärtigen Ende der zentralen Zuführungsleitung ausgebildet ist, wobei die Brennstofföffnung für jedes der schräggestellten Mischrohre eine stromaufwärtige Position bezüglich einer Luftströmung dadurch aufweisen kann.
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In einer noch weiteren Ausführungsform der zuletzt erwähnten Variante der Brennstoffdüse kann jedes der schräggestellten Mischrohre mehrere der Brennstofföffnungen aufweisen, wobei die mehreren der Brennstofföffnungen eine stromaufwärtige Konzentration relativ zu einer Luftströmung durch diese hindurch aufweisen können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der zuletzt erwähnten Variante der Brennstoffdüse kann jedes der schräggestellten Mischrohre dazu eingerichtet sein, eine Luftströmung durch den Einlass und eine Brennstoffströmung durch die Brennstofföffnung aufzunehmen, um eine Mischung daraus durch den Auslass hindurch auszugeben, wobei der Auslass mit einem Brennraum der Brennkammer in Fluidverbindung stehen kann, wobei die schräggestellten Mischrohre jeweils eine Mischlänge aufweisen können, die zwischen einer stromaufwärtigen Brennstofföffnung und dem Auslass definiert ist, wobei die schräggestellten Mischrohre, für die Mischlänge, jeweils eine segmentierte Konfiguration, einschließlich eines stromaufwärtigen Segmentes und eines stromabwärtigen Segmentes zu jeder Seite einer Verbindung, die einen Richtungswechsel für das schräggestellte Mischrohr markiert, aufweisen können.
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In der zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsform können die schräggestellten Mischrohre jeweils eine Konfiguration aufweisen, in der das stromaufwärtige Segment linear ist und der stromabwärtige Abschnitt gekrümmt ist.
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In einer Alternative können die schräggestellten Mischrohre jeweils eine Konfiguration aufweisen, in der das stromaufwärtige Segment linear ist und der stromabwärtige Abschnitt linear ist.
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In einer weiteren Alternative können die schräggestellten Mischrohre jeweils eine Konfiguration aufweisen, in der das stromaufwärtige Segment gekrümmt ist und der stromabwärtige Abschnitt linear ist.
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In einer noch weiteren Alternative können die schräggestellten Mischrohre jeweils eine Konfiguration aufweisen, in der das stromaufwärtige Segment gekrümmt ist und der stromabwärtige Abschnitt gekrümmt ist.
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Optional können die schräggestellten Mischrohre jeweils eine Konfiguration aufweisen, in der das stromaufwärtige Segment linear und axial ausgerichtet ist und das stromabwärtige Segment gekrümmt und um die Mittelachse der Brennstoffdüse herum spiralförmig ausgebildet ist, wobei der stromaufwärtige Abschnitt weniger als die Hälfte der Mischlänge der schräggestellten Mischrohre aufweisen kann.
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In der Brennstoffdüse einer beliebigen vorstehend erwähnten Art, die eine Swozzle aufweist, können die schräggestellten Mischrohre jeweils eine Mischlänge aufweisen, die zwischen einer stromaufwärtigen Brennstofföffnung und dem Auslass definiert ist, wobei die schräggestellten Mischrohre, für die Mischlänge, jeweils eine nicht segmentierte Konfiguration aufweisen können, in der das Mischrohr über die Mischlänge hinweg eine konstante Form beibehält.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann der tangentiale Austrittswinkel einen Winkel zwischen 20° und 55° aufweisen.
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Ferner können die schräggestellten Mischrohre relativ zueinander eine parallele Ausrichtung aufweisen, so dass die tangentialen Austrittswinkel der schräggestellten Mischrohre relativ zueinander eine parallele Konfiguration aufweisen.
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Noch weiter können die schräggestellten Mischrohre derart eingerichtet sein, dass die wirbelnde Strömung des gemeinsamen Auslasses in die erste Richtung wirbelt, wie sie durch die Richtung der wirbelnden stromabwärtigen Strömung definiert ist, die durch die Verwirblerschaufeln des primären Strömungsringraums erzeugt wird.
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Noch weiter kann die Pilotdüse zwischen fünf und fünfundzwanzig der schräggestellten Mischrohre aufweisen, wobei die schräggestellten Mischrohre innerhalb der Mittelkörperwand in regelmäßigen Intervallen in Umfangsrichtung beabstandet sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer beispielhaften Gasturbine, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
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2 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Brennkammer, wie sie in der in 1 dargestellten Gasturbine verwendet werden kann;
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3 enthält eine Ansicht, die teilweise in Perspektive und teilweise im Querschnitt dargestellt ist und die eine beispielhafte Brennkammerdüse gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 veranschaulicht eine detailliertere Querschnittsansicht der Brennkammerdüse aus 3;
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5 veranschaulicht eine Endansicht, die entlang der in 4 mit 5-5 gekennzeichneten Sichtlinien geschnitten wurde;
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6 enthält eine vereinfachte Seitenansicht eines Mischrohrs, das in einer Pilotdüse verwendet werden kann;
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7 veranschaulicht eine vereinfachte Seitenansicht eines alternativen Mischrohrs, das eine schräggestellten Konfiguration gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung aufweist;
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8 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Pilotdüse abbildet, die schräggestellte Mischrohre gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung aufweist;
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9 veranschaulicht eine Seitenansicht schräggestellter Mischrohre gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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10 enthält eine perspektivische Ansicht des Mischrohrs aus 9;
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11 veranschaulicht eine Seitenansicht schräggestellter Mischrohre gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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12 zeigt eine Seitenansicht eines schräggestellten Mischrohrs gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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13 veranschaulicht eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform, bei der lineare Mischrohre mit schräggestellten Mischrohren kombiniert werden;
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14 enthält eine perspektivische Ansicht der Mischrohre aus 13;
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15 zeigt eine Einlassansicht der Mischrohre aus 13;
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16 veranschaulicht eine Auslassansicht der Mischrohre aus 13;
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17 veranschaulicht eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform, die gegenläufig wirbelnde spiralförmige Mischrohre gemäß bestimmten anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung enthält;
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18 enthält eine perspektivische Ansicht der Mischrohre aus 17;
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19 zeigt eine Einlassansicht der Mischrohre aus 17;
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20 veranschaulicht eine Auslassansicht der Mischrohre aus 17;
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21 veranschaulicht eine Auslassansicht einer alternativen Ausführungsform der Mischrohre, die eine zu der Austrittsrichtung außenliegende Komponente enthält;
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22 veranschaulicht eine Auslassansicht einer alternativen Ausführungsform der Mischrohre, die eine zu der Austrittsrichtung innenliegende Komponente enthält;
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23 veranschaulicht schematisch die Ergebnisse einer richtungsabhängigen Strömungsanalyse von Mischrohren, die eine lineare oder axiale Ausrichtung aufweisen; und
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24 veranschaulicht schematisch die Ergebnisse einer richtungsabhängigen Strömungsanalyse von Mischrohren, die eine tangential schräggestellte Ausrichtung aufweisen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung ausgeführt oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden. Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Bezeichnungen in Form von Zahlen und Buchstaben, um auf Merkmale in den Zeichnungen zu verweisen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung können verwendet werden, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung zu verweisen.
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Wie man erkennen wird, ist jedes Beispiel zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass von deren Umfang oder Rahmen abgewichen wird. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Es besteht somit die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen mit umfasst, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Es versteht sich, dass hier erwähnte Bereiche und Begrenzungen alle Unterbereiche einschließen, die innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen angeordnet sind, inklusive der Grenzen selbst, sofern nicht etwas anderes angegeben ist.
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Außerdem wurden bestimmte Begriffe ausgewählt, um die vorliegende Erfindung und ihre Komponentensubsysteme und Teile zu beschreiben. Soweit möglich, wurden diese Begriffe basierend auf der üblichen Terminologie auf dem Technologiegebiet ausgewählt. Man wird jedoch erkennen, dass solche Begriffe oft verschiedenen Interpretationen unterworfen werden. Was hierin beispielsweise als eine einzelne Komponente beschrieben werden kann, kann in einem anderen Zusammenhang als aus mehreren Komponenten bestehend bezeichnet werden, oder was hierin als mehrere Komponenten umfassend beschrieben werden kann, kann anderswo als nur eine einzige Komponente bezeichnet werden. Somit sollte bei dem Verständnis des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung Aufmerksamkeit nicht nur der speziellen Terminologie gewidmet werden, sondern auch der beigefügten Beschreibung und dem Zusammenhang, sowie der Struktur, dem Aufbau, der Funktion und/oder der Nutzung der Komponente, auf die Bezug genommen und die beschrieben wird, einschließlich der Weise, in der sich der Begriff auf die verschiedenen Figuren bezieht, sowie auch selbstverständlich auf die präzise Verwendung der Terminologie in den beigefügten Ansprüchen. Während ferner die folgenden Beispiele bezüglich eines bestimmten Typs einer Turbine beschrieben sind, kann die Technologie der vorliegenden Erfindung auch auf andere Typen von Turbinen anwendbar sein, wie ein Fachmann auf dem relevanten technologischen Gebiet verstehend würde.
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Unter Berücksichtigung der Art eines Turbinenbetriebs können einige beschreibende Begriffe überall in dieser Anmeldung verwendet werden, um die Funktionsweise der Maschine und/oder einiger darin enthaltender Subsysteme oder Komponenten zu erläutern, und es kann sich als vorteilhaft erweisen, diese Begriffe am Beginn dieses Abschnittes zu definieren. Demzufolge sind diese Begriffe und ihre Definitionen, sofern nicht anders angegeben, wie folgt. Ohne weitere Spezifikation betreffen die Begriffe „vorne“ und „hinten“ Richtungen in Bezug auf die Ausrichtung der Gasturbine. D.h., „vorne“ bezieht sich auf das vordere oder Verdichterende der Gasturbine, und „hinten“ bezieht sich auf das hintere oder Turbinenende der Gasturbine. Man wird erkennen, dass jeder dieser Begriffe verwendet werden kann, um eine Bewegung oder eine relative Lage innerhalb der Turbine zu bezeichnen. Die Begriffe „stromabwärts“ und „stromaufwärts“ werden verwendet, um eine Lage innerhalb einer spezifizierten Leitung bezüglich der allgemeinen Richtung der sich durch ihn bewegenden Strömung zu bezeichnen. (Man wird erkennen, dass sich diese Begriffe auf eine Richtung bezüglich einer erwarteten Strömung während normalen Betriebs beziehen, was jedem Fachmann sofort klar sein sollte.) Der Begriff „stromabwärts“ entspricht der Richtung, mit der ein Fluid durch die spezifizierte Leitung strömt, während sich „stromaufwärts“ auf die entgegengesetzte Richtung bezieht. Beispielsweise kann der primäre Strom des Arbeitsfluids durch eine Turbine, der aus der durch den Verdichter strömenden Luft besteht und der danach innerhalb der Brennkammer und über diese hinaus zu Verbrennungsgasen wird, somit als an einer stromaufwärtigen Stelle zu einem stromaufwärtigen oder vorderen Ende des Verdichters hin beginnend und an einer stromabwärtigen Stelle zu einem stromabwärtigen oder hinteren Ende der Turbine endend beschrieben sein. Hinsichtlich der Beschreibung der Strömungsrichtung innerhalb einer Brennkammer gängigen Typs, wie sie nachstehend detaillierter beschrieben ist, wird man erkennen, dass die Verdichterauslassluft typischerweise in die Brennkammer durch Aufprallkanäle einströmt, die sich (bezüglich der Längsachse der Brennkammer und der nachstehend beschriebenen Verdichter/Turbinen-Positionierung, die den Unterschied zwischen vorne und hinten definiert) gegen das hintere Ende der Brennkammer konzentrieren. Wenn sie sich einmal in der Brennkammer befindet, wird die verdichtete Luft von einem Strömungsringraum, der um eine innere Kammer herum in Richtung des vorderen Endes der Brennkammer ausgebildet ist, geführt, wo die Luftströmung in die innere Kammer einströmt und ihre Strömungsrichtung ändernd in Richtung des hinteren Endes der Brennkammer strömt. In einem noch anderen Zusammenhang können Kühlmittelströme durch Kühldurchgänge in dergleichen Weise behandelt werden.
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Außerdem können bei der gegebenen Konfiguration eines Verdichters und einer Turbine um eine gemeinsame Mittelachse herum als auch bei der zylindrischen Konfiguration, die vielen Brennkammertypen gemeinsam ist, hier Begriffe verwendet werden, die eine Position in Bezug auf eine Achse beschreiben. Diesbezüglich ist erkennbar, dass sich der Begriff „radial“ auf eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse bezieht. Bezogen darauf kann es erforderlich sein, einen relativen Abstand von der Mittelachse zu beschreiben. In diesem Falle wird, wenn sich eine erste Komponente näher an der Mittelachse befindet als eine zweite Komponente, hierin beschrieben, dass sich die erste Komponente „radial innerhalb von“ oder „innenliegend“ bezüglich der zweiten Komponente befindet. Wenn sich andererseits die erste Komponente von der Mittelachse weiter weg befindet als die zweite Komponente, wird hierin beschrieben, dass sich die erste Komponente „radial außerhalb von“ oder „außenliegend“ bezüglich der zweiten Komponente befindet. Zusätzlich wird erkennbar sein, dass sich der Begriff „axial“ auf eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse bezieht. Schließlich bezieht sich der Begriff „in Umfangsrichtung“ bzw. „längs des Umfangs“ auf eine Bewegung oder Position um eine Achse herum. Wie erwähnt, können diese Begriffe, obwohl diese Begriffe in Bezug auf eine gemeinsame Mittelachse angewendet werden können, die sich durch die Verdichter- und Turbinenabschnitte der Maschine erstreckt, auch in Bezug auf andere Komponenten oder Teilsysteme der Turbine angewendet werden. Beispielsweise kann in dem Falle einer zylindrisch gestalteten Brennkammer, welche für viele Turbinen üblich ist, die Achse, welche diesen Begriffen relative Bedeutung gibt, die Längsbezugsachse sein, die sich durch die Mitte der zylindrischen Querschnittsform erstreckt, die zuerst zylindrisch ist, aber in ein ringförmigeres Profil übergeht, wenn sie sich der Turbine nähert.
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Bezugnehmend auf 1 ist eine vereinfachte Zeichnung einiger Bereiche eines Gasturbinensystems 10 veranschaulicht. Das Turbinensystem 10 kann flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, z.B. Erdgas und/oder ein wasserstoffreiches Synthesegas, verwenden, um das Turbinensystem 10 zu betreiben. Wie gezeigt, mischen mehrere Brennstoff-Luft-Düsen (oder, wie hier genannt „Brennstoffdüsen 12“) des ausführlicher nachstehend beschriebenen Typs nehmen eine Brennstoffzuführung 14 auf, mischen den Brennstoff mit einer Luftzuführung, und richten das Brennstoff-Luft-Gemisch zur Verbrennung in eine Brennkammer 16 hinein. Das verbrannte Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt heiße unter Druck stehende Abgase, die durch eine Turbine 18 hindurch in Richtung eines Abgasauslasses 20 geleitet werden können. Während die Abgase durch die Turbine 18 hindurchströmen, zwingen die Gase eine oder mehrere Turbinenschaufeln, eine Welle 22 entlang einer Achse des Turbinensystems 10 zu drehen. Wie dargestellt, kann die Welle 22 mit verschiedenen Komponenten des Turbinensystems 10 verbunden sein, zu denen ein Verdichter 24 gehört. Der Verdichter 24 enthält auch Laufschaufeln, die mit der Welle 22 verbunden sein können. Während sich die Welle 22 dreht, laufen die Laufschaufeln innerhalb des Verdichters 24 ebenfalls um, wodurch sie Luft aus einem Lufteinlass 26 durch den Verdichter 24 und in die Brennstoffdüsen 12 und/oder die Brennkammer 16 verdichten. Die Welle 22 kann auch mit einer Last 28 verbunden sein, die ein Fahrzeug oder eine stationäre Last, wie z.B. ein elektrischer Generator in einer Kraftwerksanlage oder ein Propeller an einem Flugzeug sein kann. Wie es verständlich sein wird, kann die Last 28 eine jegliche geeignete Vorrichtung umfassen, die in der Lage ist, durch die Drehabgabe des Turbinensystems 10 angetrieben zu werden.
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2 zeigt eine vereinfachte Zeichnung von Querschnittsansichten einiger Abschnitte des Gasturbinensystems 10, das in der 1 schematisch gezeigt ist. Wie in 2 schematisch gezeigt, enthält das Turbinensystem 10 eine oder mehrere Brennstoffdüsen 12, die in einem Kopfende 27 der Brennkammer 16 in der Gasturbine 10 angeordnet sind. Jede veranschaulichte Brennstoffdüse 12 kann mehrere Brennstoffdüsen, die in einer Gruppe gemeinsam integriert sind, und/oder eine eigenständige Brennstoffdüse enthalten, wobei jede veranschaulichte Brennstoffdüse 12 zumindest im Wesentlichen oder ganz auf interner struktureller Unterstützung (z.B. lasttragenden Fluidkanälen) beruht. Bezugnehmend auf 2 weist das System 10 einen Verdichterabschnitt 24 zur Druckbeaufschlagung eines Gases, wie z.B. Luft, das bzw. die in das System 10 über einen Lufteinlass 26 einströmt. Im Betrieb tritt Luft in das Turbinensystem 10 durch den Lufteinlass 26 ein und kann in dem Verdichter 24 unter Druck gesetzt werden. Es sollte verständlich sein, dass, während hier auf das Gas als Luft Bezug genommen wird, das Gas ein beliebiges Gas sein kann, das zur Verwendung in einem Gasturbinensystem 10 geeignet ist. Verdichtete Luft, die aus dem Verdichterabschnitt 24 ausgelassen wird, strömt in einen Brennkammerabschnitt 16 hinein, der allgemeinen durch mehrere Brennkammern 16 (von denen lediglich eine in den 1 und 2 veranschaulicht ist) gekennzeichnet ist, die in einer ringförmigen Anordnung um eine Achse des Systems 10 herum angeordnet sind. Die Luft, die in den Brennkammerabschnitt 16 einströmt, wird mit dem Brennstoff vermischt und innerhalb des Brennraums 32 der Brennkammer 16 verbrannt. Die Brennstoffdüsen 12 können beispielsweise ein Brennstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer 16 in einem für eine optimale Verbrennung, einen optimalen Emissionsausstoß, einen optimalen Brennstoffverbrauch und eine optimale Leistungsabgabe geeigneten Brennstoff-Luft-Verhältnis Brennstoff einspritzen. Die Verbrennung erzeugt heiße unter Druck stehende Abgase, die dann von jeder Brennkammer 16 zu einem Turbinenabschnitt 18 (1) strömen, um das System 10 anzutreiben und Leistung zu erzeugen. Die heißen Gase treiben eine oder mehrere (nicht gezeigte) Laufschaufeln innerhalb der Turbine 18 an, um die Welle 22 und somit den Verdichter 24 und die Last 28 zu drehen. Die Drehung der Welle 22 veranlasst die Laufschaufeln 30 innerhalb des Verdichters 24 umzulaufen und Luft, die durch den Einlass 26 aufgenommen wird, einzuziehen und zu verdichten. Es sollte jedoch ohne Weiteres erkannt werden, dass eine Brennkammer 16 nicht wie vorstehend beschrieben und hier veranschaulicht eingerichtet sein muss, und dass sie im Allgemeinen einen beliebigen Aufbau aufweisen kann, der es ermöglicht, dass verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt, verbrannt und zu einem Turbinenabschnitt 18 des Systems 10 übertragen wird.
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Indem nun auf 3 bis 5 Bezug genommen wird, ist eine beispielhafte Konfiguration einer vormischenden Pilotdüse 40 (oder einfach „Pilotdüse 40“) gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Pilotdüse 40 kann einige Mischrohre 41 enthalten, innerhalb derer ein Brennstoff-Luft-Gemisch für die Verbrennung innerhalb des Brennraums 32 erzeugt wird. 3 bis 5 veranschaulichen eine Anordnung, durch welche Brennstoff und Luft verschiedenen Mischrohren 41 der Pilotdüse 40 zugeführt werden können. Eine weitere solche Brennstoff-Luft-Zuführkonfiguration ist hinsichtlich der 8 bereitgestellt, und es sollte erkannt werden, dass andere Brennstoff-Luft-Zuführanordnungen ebenfalls möglich sind und dass diese Beispiele nicht als einschränkend ausgelegt sein sollten, sofern dies nicht in dem beigefügten Anspruchssatz angezeigt ist.
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Wie in den 3, 4 und 5 dargestellt, können die Mischrohre 41 eine lineare und axiale Konfiguration aufweisen. In solchen Fällen kann jedes Mischrohr 41 derart eingerichtet sein, dass eine Fluidströmung daraus in eine Richtung ausgelassen wird (oder, wie hier verwendet, eine „Austrittsrichtung“ enthält), die zu der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 parallel verläuft oder alternativ zumindest die tangential schräggestellte Ausrichtung bezüglich der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse nicht hat. Wie hier verwendet, kann auf solche Mischrohre 41 als „axiale Mischrohre“ Bezug genommen werden. Demzufolge kann ein axiales Mischrohr 41 derart ausgerichtet sein, dass es im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 verläuft, oder alternativ kann das axiale Mischrohr 41 ausgerichtet sein, um eine radial schräggestellte Ausrichtung bezüglich der Mittelachse 36 zu enthalten, solange dem Mischrohr die tangential schräggestellte Komponente fehlt. Andere Mischrohre 41, auf die als „schräggestellte Mischrohre“ Bezug genommen wird, können diese tangential gewinkelte oder schräg angestellte Ausrichtung enthalten, derart dass jedes von ihnen das Gemisch aus Brennstoff und Luft in eine Richtung freisetzt, die bezüglich der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 schief oder tangential schräggestellt ist. Wie nachstehend beschrieben, kann diese Konfigurationsart verwendet werden, um nach Freisetzung ein Wirbelmuster innerhalb der Brennzone zu erzeugen, das bestimmte Leistungsaspekte der Pilotdüse 40 und dadurch das Leistungsverhalten der Brennstoffdüse 12 verbessert.
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Wie veranschaulicht, kann die Brennstoffdüse 12 eine axial längliche Umfangswand 50 enthalten, die eine Außenhülle der Komponente definiert. Die Umfangswand 50 der Brennstoffdüse 12 weist eine Außenfläche und eine Innenfläche auf, die in die entgegengesetzte Richtung zu der Außenfläche ausgerichtet ist und die einen axial länglichen inneren Hohlraum definiert. Wie hier verwendet, ist eine Mittelachse 36 der Düse 12 als die Mittelachse der Brennstoffdüse 12 definiert, die in diesem Beispiel als die Mittelachse der Umfangswand 50 definiert ist. Die Brennstoffdüse 12 kann ferner einen hohlen, axial länglichen Mittelkörper 52 enthalten, der innerhalb des durch die Umfangswand 50 gebildeten Hohlraums angeordnet ist. Bei gegebener konzentrischer Anordnung, die zwischen der Umfangswand 50 und dem Mittelkörper 52 gezeigt ist, kann die Mittelachse 36 für jede Komponente gemeinsam sein. Der Mittelkörper 52 kann axial durch eine Wand definiert sein, die ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende definiert. Ein primärer Luftströmungskanal 51 kann in dem ringförmigen Raum zwischen der Umfangswand 50 und der Außenfläche des Mittelkörpers 52 definiert sein.
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Die Brennstoffdüse 12 kann ferner eine axial längliche, hohle Brennstoffzuführleitung enthalten, auf die hier als „zentrale Zuführleitung 54“ Bezug genommen wird, die sich durch die Mitte des Mittelkörpers 52 hindurch erstreckt. Definiert zwischen der zentralen Zuführleitung 54 und der Außenwand des Mittelkörpers 52, kann sich ein länglicher Innendurchgang oder ein sekundärer Strömungsringraum 53 axial von einer vorderen Position neben dem Kopfende 27 in Richtung der Pilotdüse 40 erstrecken. Die zentrale Zuführleitung 54 kann sich in ähnlicher Weise axial zwischen dem Vorderende des Mittelkörpers 52 erstrecken, wobei sie eine Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Brennstoffquelle durch das Kopfende 27 hindurch bilden kann. Die zentrale Zuführleitung 54 kann ein stromabwärtiges Ende aufweisen, das an dem hinteren Ende des Mittelkörpers 52 angeordnet ist, und kann eine Zufuhr von Brennstoff bereitstellen, die schließlich in die Mischrohre 41 der Pilotdüse 40 eingespritzt wird.
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Die primäre Brennstoffzuführung der Brennstoffdüse 12 kann zu dem Brennraum 32 der Brennkammer 16 durch mehrere Verwirblerschaufeln 56 gerichtet werden, die, wie in 3 veranschaulicht, feststehende Leitschaufeln sein können, die sich quer durch den primären Strömungsringraum 51 erstrecken. Gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung können die Verwirblerschaufeln 56 eine sogenannte „swozzle“-artige Brennstoffdüse definieren, in der sich mehrere Leitschaufeln 56 radial zwischen dem Mittelkörper 52 und der Umfangswand 50 erstrecken. Wie schematisch in 3 gezeigt, kann jede der Verwirblerschaufeln 56 der Swozzle wünschenswerterweise mit internen Brennstoffkanälen 57 versehen sein, die in Brennstoffeinspritzöffnungen 58 enden, von denen aus die primäre Brennstoffzuführung (deren Strömung durch Pfeile angedeutet ist) in den primären Luftstrom eingeführt wird, der durch den primären Strömungsringraum 51 geleitet wird. Da dieser primäre Luftstrom gegen die Verwirblerschaufeln 56 gerichtet ist, wird ein Wirbelmuster vermittelt, das, wie man erkennen wird, die Vermischung der Luft- und den Brennstoffzuführungen innerhalb des primären Strömungsringraums 51 unterstützt. Stromabwärts der Verwirblerschaufeln 56 können sich die wirbelnden Luft- und Brennstoffzuführungen, die innerhalb des Strömungsringraums 51 zusammengebracht wurden, fortlaufend vermischen, bevor sie für die Verbrennung in den Brennraum 32 ausgegeben werden. Wie hier verwendet, kann, wenn von der Pilotdüse 40 unterschieden wird, auf den primären Strömungsringraum 51 als eine „übergeordnete Düse“ Bezug genommen werden, und auf das Brennstoff-Luft-Gemisch, das innerhalb des primären Strömungsringraums 51 zusammengebracht wird, kann als innerhalb der „übergeordneten Düse“ entstammend Bezug genommen werden. Wenn diese Bezeichnungen verwendet werden, wird man erkennen, dass die Brennstoffdüse 12 eine übergeordnete Düse und eine Pilotdüse enthält und dass jede von diesen gesonderte Brennstoff-Luft-Gemische in den Brennraum einspritzt.
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Der Mittelkörper 52 kann als axial gestapelte Abschnitte enthaltend beschrieben werden, wobei die Pilotdüse 40 der axiale Abschnitt ist, der an dem stromabwärtigen oder hinteren Ende des Mittelkörpers 52 angeordnet ist. Gemäß der gezeigten beispielhaften Ausführungsform, enthält die Pilotdüse 40 einen Brennstoffsammelraum 64, der an einem stromabwärtigen Ende der zentralen Zuführleitung 54 angeordnet ist. Wie veranschaulicht, kann der Brennstoffsammelraum 64 mit der zentralen Zuführleitung 54 über eine oder mehrere Brennstofföffnungen 61 in Fluidverbindung stehen. Der Brennstoff kann somit durch die Zuführleitung 54 strömen, um über die Brennstofföffnungen 61 in den Brennstoffsammelraum 64 einzuströmen. Die Pilotdüse 40 kann ferner eine ringförmig gestaltete Mittelkörperwand 63 enthalten, die radial außen von dem Brennstoffsammelraum 64 und wünschenswerterweise konzentrisch bezüglich der Mittelachse 36 angeordnet ist.
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Wie beschrieben, kann die Pilotdüse 40 mehrere axial längliche, hohle Mischrohre 41 enthalten, die bezüglich des Brennstoffsammelraums 64 gerade außenliegend angeordnet sind. Die Pilotdüse 40 kann durch eine stromaufwärtige Stirnfläche 71 und eine stromabwärtige Stirnfläche 72 axial definiert sein. Wie veranschaulicht, können sich die Mischrohre 41 axial durch die Mittelkörperwand 63 hindurch erstrecken. Mehrere Brennstofföffnungen 75 können innerhalb der Mittelkörperwand 63 für die Zuführung von Brennstoff aus dem Brennstoffsammelraum 64 in die Mischrohre 41 hinein gebildet sein. Jedes der Mischrohre 41 kann sich axial zwischen einem Einlass 65, der durch die stromaufwärtige Stirnfläche 71 der Pilotdüse 40 hindurch ausgebildet ist, und einen Auslass 66, der durch die stromabwärtige Stirnfläche 72 der Pilotdüse 40 hindurch ausgebildet ist, erstrecken. Auf diese Weise eingerichtet, kann ein Luftstrom in den Einlass 65 jedes Mischrohrs 41 aus dem sekundären Strömungsringraum 53 des Mittelkörpers 52 geleitet werden. Jedes Mischrohr 41 kann zumindest eine Brennstofföffnung 75 aufweisen, die mit dem Brennstoffsammelraum 64 in Fluidverbindung ist, so dass ein Brennstoffstrom, der aus dem Brennstoffsammelraum 64 austritt, in jedes Mischrohr 41 hineinströmt. Ein resultierendes Brennstoff-Luft-Gemisch kann dann stromabwärts in jedem Mischrohr 41 strömen und kann dann aus den Auslässen 66, die durch die stromabwärtige Stirnfläche 72 der Pilotdüse 40 hindurch ausgebildet sind, in den Brennraum 32 eingespritzt werden. Wie man erkennen wird, wird bei der vorgegebenen linearen Konfiguration und axialen Ausrichtung der Mischrohre 41, die in den 3 bis 5 gezeigt sind, das Brennstoff-Luft-Gemisch, das aus den Auslässen 66 austritt, in eine Richtung gerichtet, die im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 ausgerichtet ist. Während das Brennstoff-Luft-Gemisch, nachdem es in den Brennraum 32 eingespritzt wird, die Tendenz aufweist, sich von jedem Mischrohr 41 aus radial auszubreiten, haben die Anmelder herausgefunden, dass die radiale Ausbreitung unwesentlich ist. Studien haben in der Tat gezeigt, dass das Äquivalenzverhältnis (d.h. das Luft/Brennstoff-Verhältnis) an dem Abschnitt der Verbrennungsaustrittsebene 44, die unmittelbar stromabwärts von dem Auslass 66 jedes Mischrohrs 41 angeordnet ist, fast doppelt so groß wie das Äquivalenzverhältnis sein kann, das an dem Abschnitt der Verbrennungsaustrittsebene 44 vorliegt, die unmittelbar stromabwärts von der Mittelachse 36 angeordnet ist. Hohe Äquivalenzverhältnisse an einer Stelle, die sich unmittelbar stromabwärts von dem Auslass 66 jedes Mischrohrs 41 befindet, können fortwährend und effektiv das Brennstoff-Luft-Gemisch durch die übergeordnete Düse entzünden und können dadurch verwendet werden, um die Flamme sogar dann zu stabilisieren, wenn die Flamme in der Nähe der Bedingung für Magergemisch-Flammenausblasen (lean-blow-out, „LBO“) betrieben wird.
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6 und 7 enthalten eine vereinfachte Seitenansicht, die verschiedene Ausrichtungen eines einzigen Mischrohrs 41 innerhalb einer Pilotdüse 40 bezüglich der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 (d.h. wie sie durch die Umfangswand 50 definiert sein kann) vergleicht. 6 zeigt ein Mischrohr 41, das eine axiale Konfiguration aufweist, welche die Konfiguration ist, die unter Bezugnahme auf 3 bis 5 vorstehend beschrieben ist. Wie angedeutet, ist das Mischrohr 41 im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse 36 ausgerichtet, so dass das Brennstoff-Luft-Gemisch, das daraus ausgelassen wird (d.h. aus dem Auslass 66), eine Richtung des Austritts („Austrittsrichtung“) 80 aufweist, die ungefähr parallel zu einer stromabwärtigen Fortsetzung der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 verläuft.
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Wie in 7 veranschaulicht, enthält das Mischrohr 41 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem stromabwärtigen Ende einen schräggestellten Auslassabschnitt 79, der bezüglich der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 abgewinkelt oder tangential schräg angestellt ist. Auf diese Weise eingerichtet, weist das Brennstoff-Luft-Gemisch, das aus dem Auslass 66 strömt, eine Austrittsrichtung 80 auf, die sich von der tangential schräggestellten Ausrichtung des schräggestellten Auslassabschnitts 79 aus erstreckt und diesem folgt. Wie hierin verwendet, kann der schräggestellte Auslassabschnitt 79 bezüglich des spitzen Tangentialwinkels 81 definiert sein, den er relativ zu der stromabwärtigen Richtung der axialen Bezugslinie 82 bildet (die, wie hierin verwendet, als eine Bezugslinie definiert ist, die zu der Mittelachse 36 parallel verläuft).
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Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, können Leistungsvorteile für die Pilotdüse 40 erzielt werden, indem die verschiedenen Mischrohre eingerichtet werden, um solche schräggestellten Ausrichtungen zu enthalten. Typischerweise kann jedes der Mischrohre 41 ähnlich eingerichtet und parallel angeordnet sein, obwohl bestimmte nachstehend ausführlicher beschriebene Ausführungsformen Ausnahmen davon enthalten. Das Maß, in dem die schräggestellten Auslassabschnitte 79 der Mischrohre 41 tangential abgewinkelt sind, d.h. die Größe des Tangentialwinkels 81, der zwischen der Austrittsrichtung 80 und der axialen Bezugslinie 82 gebildet ist, kann variieren. Wie man erkennen wird, kann der Tangentialwinkel 81 von verschiedenen Kriterien abhängen. Ferner können, obwohl die Ergebnisse bei bestimmten Werten optimal sein können, verschiedene Niveaus von erwünschten Leistungsvorteilen über eine große Bandbreite von Werten für die Tangentialwinkel 81 erzielt werden. Die Anmelder konnten einige bevorzugte Ausführungsformen bestimmen, die nun offenbart werden. Gemäß einer Ausführungsform enthält der Tangentialwinkel 81 des schräggestellten Mischrohrs 41 einen Bereich zwischen 10° und 70°. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, enthält der Tangentialwinkel 81 einen Bereich zwischen 20° und 55°. Schließlich sind die schräggestellten Mischrohre 41 gemäß einer letzten Ausführungsform vorzugsweise derart eingerichtet, dass der Tangentialwinkel 81 zwischen ungefähr 40° und 50° beträgt.
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Obwohl die in 7 gezeigte vereinfachte Version lediglich ein Mischrohr 41 zeigt, kann jedes der Mischrohre 41 eine ähnliche Konfiguration aufweisen, und sie können zueinander parallel ausgerichtet sein. Wenn die abgewinkelte Ausrichtung konsistent auf jedes der mehreren Mischrohre 41 angewendet wird, die in der Pilotdüse 40 enthalten sind, wird man erkennen, dass die tangentiale Ausrichtung der Austrittsrichtung gerade stromabwärts der stromabwärtigen Stirnfläche 72 der Pilotdüse 40 eine wirbelnde Strömung erzeugt. Wie durch die vorliegenden Anmelder entdeckt, kann diese wirbelnde Strömung verwendet werden, um bestimmte Leistungsvorteile zu erzielen, die nachstehend ausführlicher beschrieben sind. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, kann das aus den Mischrohren 41 ausgelassene Gemisch veranlasst werden, mit dem wirbelnden Brennstoff-Luft-Gemisch „gleichsinnig zu wirbeln“, der aus dem primären Strömungsringraum 51 austritt (d.h. in Fällen, bei denen der primäre Strömungsringraum 51 die Verwirblerschaufeln 56 enthält).
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Wie unter Bezugnahme auf einige nachstehend geschaffene alternative Ausführungsformen beschrieben, können die Mischrohre 41 dazu eingerichtet sein, diese tangential gewinkelte Austrittsrichtung 80 auf verschiedene Weise zu erzielen. Z.B. können Mischrohre 41, die lineare Segmente enthalten, die (wie in 7) an Bogen- oder Kniestücken verbunden sind, verwendet werden, um die Austrittsrichtung anzuwinkeln. In anderen Fällen können die Mischrohre 41, wie nachstehend gezeigt, gekrümmt und/oder spiralförmig ausgebildet sein, um die gewünschte Austrittsrichtung zu erreichen. Zusätzlich können Kombinationen von linearen Segmenten und gekrümmten oder spiralförmigen Segmenten sowie auch jede beliebige andere Geometrie verwendet werden, die der austretenden Strömung aus den Mischrohren 41 ermöglicht, unter einem tangentialen Winkel bezüglich der Mittelachse 36 des primären Strömungsringraums 51 auszutreten.
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8 bis 12 veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen, die ein Mischrohr 41 enthalten, das gewinkelte oder schräggestellte Konfigurationen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. 8 zeigt eine beispielhafte spiralförmige Konfiguration für die Mischrohre 41 und ist auch vorgesehen, um eine alternative bevorzugte Anordnung zu veranschaulichen, mit der Brennstoff und Luft den Mischrohren 41 der Pilotdüse 40 zugeführt werden können. In diesem Falle ist ein außenliegender Brennstoffkanal 85 innerhalb der Mittelkörperwand 63 angeordnet und erstreckt sich axial von einer stromaufwärtigen Verbindung aus, die mit einer Brennstoffleitung 57 geschaffen ist, die, wie in 3 und 4 veranschaulicht, auch Brennstoff zu den Öffnungen 58 der Verwirblerschaufeln 56 liefert. Bei der gegebenen Konfiguration nach 8 wird der Brennstoff an sich aus dem Brennstoffkanal 85 zugeführt, der von den Mischrohren 41 ein knapp außenliegend angeordnet ist, anstatt dass der Brennstoff aus einem Brennstoffsammelraum zugeführt wird, der bezüglich des Mischrohrs 41 radial innen angeordnet ist.
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Wie man erkennen wird, kann der außenliegende Brennstoffkanal 85 als ein kreisringförmiger Durchgang oder als mehrere einzelne Rohre ausgebildet sein, die um den Umfang des Mittelkörpers 52 herum gebildet sind, um so wünschenswerterweise mit den Stellen der Mischrohre 41 übereinzustimmen. Eine oder mehrere Brennstofföffnungen 75 können ausgebildet sein, um den außenliegenden Brennstoffkanal 85 mit jedem der Mischrohre 41 strömungsmäßig zu verbinden. Auf diese Weise kann ein stromaufwärtiges Ende jedes der Mischrohre 41 mit einer Brennstoffquelle verbunden sein. Wie ferner veranschaulicht, kann der sekundäre Strömungsringraum 53 innerhalb des Mittelkörpers 52 gebildet sein und sich durch diesen hindurch axial erstrecken, um eine Zufuhr von Luft zu jedem der Einlässe 65 der Mischrohre 41 zu liefern. Man wird erkennen, dass, anders als bei der Ausführungsform der 3 und 4, die zentral angeordnete zentrale Zuführleitung 54 des Mittelkörpers 52 nicht verwendet wird, um den Mischrohren 41 Brennstoff zuzuführen. Selbst dann kann die zentrale Zuführleitung 54 enthalten sein, um andere Brennstoffarten für die Brennstoffdüse 12 zu liefern oder zu ermöglichen. In jedem Fall kann der innere Durchgang oder der sekundäre Strömungsringraum 53 als ein länglicher Durchgang ausgebildet sein, der zwischen einer zentralen Struktur, wie z.B. der Außenfläche der zentralen Zuführleitung 54 und einer inneren Oberfläche der Mittelkörperwand 63 definiert ist. Andere Konfigurationen sind auch möglich.
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Ähnlich der in 7 erläuterten Konfiguration kann jedes der Mischrohre 41 einen schräggestellten Auslassabschnitt 79 enthalten, der bezüglich der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 tangential angewinkelt ist. Auf diese Weise, kann die Austrittsrichtung 80 für das Brennstoff-Luft-Gemisch, das sich durch die Mischrohre 41 hindurch bewegt, ähnlich bezüglich der Mittelachse 36 der Brennstoffdüse 12 schräggestellt sein. Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der 8 bis 10 enthält jedes der Mischrohre 41 einen stromaufwärtigen linearen Abschnitt 86, der in einen stromabwärtigen spiralförmigen Abschnitt 87 übergeht, der sich, wie angedeutet, um die Mittelachse 36 herum krümmt. In einer Ausführungsform sind die Brennstofföffnungen 74 in dem stromaufwärtigen linearen Abschnitt 86 angeordnet, und der stromabwärtige spiralförmige Abschnitt 87 fördert die Vermischung von Brennstoff und Luft, wodurch die Bestandteile innerhalb des Mischrohrs 41 zu einer Richtungsänderung veranlasst werden. Es wurde herausgefunden, dass diese Richtungsänderung sekundäre Strömungen und Turbulenz erzeugt, die ein Vermischen zwischen dadurch strömenden Brennstoff und Luft fördern, so dass ein gut vermischtes Brennstoff-Luft-Gemisch aus den Mischrohren 71 in der gewünscht gewinkelten Austrittsrichtung herauskommt.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen sind mehrere Mischrohre 41 um den Umfang der Pilotdüse 40 herum vorgesehen. Beispielsweise können zwischen zehn und fünfzehn Rohre innerhalb der Mittelkörperwand 63 definiert sein. Die Mischrohre 41 können in regelmäßigen Intervallen beabstandet sein. Die Austrittsrichtung 80, die durch den schräggestellten Auslassabschnitt 79 definiert ist, kann derart eingerichtet sein, dass sie mit der Richtung übereinstimmt oder in die gleiche Richtung zeigt wie die Richtung der Verwirbelung, die innerhalb des primären Strömungsringraums 51 durch die Verwirblerschaufeln 56 erzeugt wird. Insbesondere kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der schräggestellte Auslassabschnitt 79 in dieselbe Richtung wie die Verwirblerschaufeln 56 abgewinkelt sein, um einen Strom zu erzeugen, der in dieselbe Richtung um die Mittelachse 36 herumwirbelt.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform ist in 11 gezeigt, die Mischrohre 41 enthält, welche eine gekrümmte spiralförmige Ausbildung für die gesamte Mischlänge der Mischrohre 41 enthält. Wie hier verwendet, ist die Mischlänge eines Mischrohrs 41 die axiale Länge zwischen der Stelle der anfänglichen (d.h. der am weitesten stromaufwärts befindlichen) Brennstofföffnung 75 und dem Auslass 66. Wie man erkennen wird, kann jedes der Mischrohre 41 zumindest eine Brennstofföffnung 75 enthalten. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann jedes Mischrohr 41 mehrere Brennstofföffnungen 75 enthalten. Die Brennstofföffnungen 75 können entlang der Mischlänge des Mischrohrs 41 axial beabstandet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Brennstofföffnungen 75 jedoch zu dem stromaufwärtigen Ende des Mischrohrs 41 hin angeordnet oder konzentriert, was dazu führt, dass Brennstoff und Luft früh zusammengebracht werden, so dass eine stärkere Vermischung erfolgen kann, bevor der kombinierte Strom aus den Auslässen 66 in den Brennraum 32 eingespritzt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann, wie in 12 veranschaulicht, der schräggestellte Abschnitt des Mischrohrs 41 lediglich auf einen stromabwärtigen Abschnitt des Mischrohrs 41 begrenzt sein, der, wie gezeigt, eine axial geringe Länge darstellt, die sich benachbart zu dem Auslass 66 befindet. Bei dieser Konfiguration können die vorteilhaften Ergebnisse dennoch erzielt werden, da das erwünschte Wirbelmuster immer noch innerhalb des gemeinsamen Auslasses aus den Mischrohren 41 herbeigeführt werden kann. Der Grad der Brennstoff-Luft-Vermischung innerhalb des Mischrohrs 41 kann jedoch weniger als optimal sein.
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13 bis 16 veranschaulichen zusätzliche Ausführungsformen, bei denen lineare und spiralförmige Mischrohre 41 kombiniert sind. 13 bzw. 14 veranschaulichen eine Seitenansicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Weise, in der lineare axiale Mischrohre 41 (d.h. diejenigen, die sich parallel zu der Mittelachse 36 erstrecken) mit schräggestellten Mischrohren 41 innerhalb der Mittelkörperwand 63 der Düse 40 angeordnet sein können. Wie gezeigt, können die schräggestellten Mischrohre 41 spiralförmig ausgebildet sein. Wie man erkennen wird, können die schräggestellten Mischrohre 41 auch mit linear segmentierter Konfiguration ausgebildet werden, die zwischen den Segmenten eine knick- oder ellbogenartige Verbindung zwischen Segmenten, wie etwa das Beispiel der 12, enthält. 15 stellt, wie man erkennen wird, eine Einlassansicht bereit, die die Einlasse 65 der axialen und schräggestellten Mischrohre 41 an der stromaufwärtigen Stirnfläche 71 der Pilotdüse 40 zeigt. 16 stellt eine Auslassansicht bereit, die eine repräsentative Anordnung der Auslässe 66 der axialen und schräggestellten Mischrohre 41 an der stromabwärtigen Stirnfläche 72 der Pilotdüse 40 zeigt. Gemäß alternativen Ausführungsformen können die schräggestellten Mischrohre 41 dazu eingerichtet sein, gleichsinnig zu wirbeln, d.h. um die Mittelachse 36 herum in dieselbe Richtung wie das wirbelnde Gemisch der übergeordneten Düse des primären Strömungsringraums 51 zu wirbeln.
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Die axialen und schräggestellten Mischrohre können beide von denselben Luft- und Brennstoffquellen versorgt werden. Alternativ kann jeder der verschiedenen Typen von Mischrohren aus verschiedenen Versorgungszuführungen versorgt sein, so dass der Anteil von Brennstoff und Luft, die die Mischrohre erreichen, entweder beträchtlich unterschiedlich oder steuerbar ist. Wie man erkennen wird, ermöglicht insbesondere die Versorgung jedes Rohrtyps mit seinen eigenen steuerbaren Luft- und Brennstoffzuführungen eine Flexibilität beim Maschinenbetrieb, die eine Anpassung oder eine Abstimmung des Brennstoff-Luft- oder Äquivalenzverhältnisses innerhalb des Brennraums ermöglichen kann. Unterschiedliche Einstellungen können über den gesamten Bereich von Lasten oder Betriebsniveaus verwendet werden, was, wie durch die Anmelder der Offenbarung entdeckt, eine Möglichkeit bietet, bestimmte Problembereiche anzugehen, die bei verschiedenen Lastniveaus auftreten können.
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Beispielsweise ist in einem Teillastbetriebsmodus, wenn die Verbrennungstemperaturen relativ zu der Basislast niedrig sind, CO das primäre Emissionsproblem. In solchen Fällen können die Äquivalenzverhältnisse erhöht werden, um die Spitzenzonentemperaturen für einen verbesserten CO-Ausbrand zu erhöhen. D.h., weil die schräggestellten Mischrohre wirken, um die Reaktanten der übergeordneten Düse zurück zu der Düsenspitze anzuziehen, kann die Temperatur in der Spitzenzone (d.h. der Spitze der Düse) kühler bleiben, als wenn die Rohre nicht tangential abgewinkelt wären. In einigen Fällen kann dies zu Überschuss-CO in den Emissionen der Brennkammer führen. Indem durch die Hinzunahme der axialen Mischrohre (wie in 13 bis 16 veranschaulicht) der axiale Impuls hinzugenommen oder erhöht wird, kann die Menge der Rezirkulationsströmung jedoch angepasst, begrenzt oder gesteuert werden und ermöglicht folglich ein Mittel zur Steuerung der Spitzenzonentemperatur. Dieses Verfahren kann somit als eine zusätzliche Weise dienen, um die Verbrennungseigenschaften und Emissionspegel zu verbessern, wenn die Maschine in bestimmten Modi betrieben wird.
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Gemäß anderen Ausführungsformen enthält die vorliegende Erfindung beispielsweise die Verwendung herkömmlicher Steuersysteme und -verfahren zur Manipulation von Luftdurchflussniveaus zwischen den zwei verschiedenen Typen von Mischrohren. Gemäß einer Ausführungsform kann die Luftströmung zu den axialen Mischrohren 41 erhöht werden, um kühlere Reaktanzprodukte aus der übergeordneten Düse daran zu hindern, zurück in die Spitzenzone der Pilotdüse 40 eingezogen zu werden. Dies kann verwendet werden, um die Temperatur der Spitzenzone zu erhöhen, was die CO-Anteile verringern kann.
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Außerdem kann die Verbrennungsdynamik eine starke Korrelation zur Scherung in den Reaktionszonen aufweisen. Durch die Anpassung der Luftmenge, die durch jedes der verschiedenen Typen von Mischrohren (d.h. der schräggestellten und der axialen) geleitet wird, kann die Schermenge auf ein Niveau abgestimmt werden, das die Verbrennung positiv beeinflusst. Dies kann durch Einrichten von Drosselöffnungen erzielt werden, um ungleiche Luftmengen zu verschiedenen Typen von Mischrohren zu liefern. Alternativ können aktive Steuervorrichtungen installiert und über herkömmliche Verfahren und Systeme betätigt werden, um die Luftzuführungsniveaus während des Betriebs zu variieren. Ferner kann eine Steuerlogik und/ oder eine Regelungsrückkopplungsschleife erzeugt sein, so dass die Steuerung der Vorrichtungen auf einen Betriebsmodus oder einen gemessenen Betriebsparameter anspricht. Wie erwähnt, kann dies zu variierenden Steuerungseinstellungen gemäß dem Betriebsmodus der Maschine führen, z.B. wenn der Betrieb bei voller Last oder bei reduzierten Lastniveaus oder als Reaktion auf gemessene Bedienerparameteranzeigen erfolgt. Solche Systeme können auch dieselben Arten von Steuerverfahren hinsichtlich der Variation der Brennstoffmenge enthalten, die den verschiedenen Typen von Mischrohren zugeführt wird. Dies kann durch voreingerichtete Komponentenkonfigurationen erzielt werden, d.h. Blendengröße und dergleichen, oder durch aktivere Echtzeitsteuerung. Wie man erkennen wird, können Betriebsparameter, wie z.B. Temperaturen innerhalb des Brennraums, akustische Variationen, Reaktanzströmungsmuster und/ oder andere mit dem Brennkammerbetrieb im Zusammenhang stehende Parameter als Teil einer Rückkopplungsschleife in solch einem Steuersystem verwendet werden.
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Wie man erkennen wird, können diese Arten von Steuerverfahren und -systemen auch auf andere hier beschriebene Ausführungsformen anwendbar sein, einschließlich aller derjenigen, die die Kombination von Mischrohren in derselben Pilotdüse einbeziehen, die unterschiedliche Konfigurationen oder Wirbelrichtungen aufweisen (einschließlich beispielsweise der gegenläufig wirbelnden Ausführungsformen, die bezüglich der 17 bis 20 beschrieben sind, oder der Ausführungsformen der 21 und 22, die Arten veranschaulichen, bei denen eine Untermenge von Strömungsrohren dazu eingerichtet sein kann, Austrittsrichtungen aufzuweisen, die radiale Komponenten enthalten). Ferner können diese Arten von Steuerverfahren und -systemen auf andere hierin erläuterte Ausführungsformen anwendbar sein, einschließlich aller derjenigen, die die Kombination von Mischrohren in derselben Pilotdüse einbeziehen, die unterschiedliche Konfigurationen oder Wirbelrichtungen aufweisen (wie z.B. die unter Bezugnahme auf 17 bis 20 beschriebenen Ausführungsformen mit gegensinnigen Wirbeln).
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Zusätzlich können solche Verfahren und Systeme auf Pilotdüsenkonfigurationen angewendet werden, bei denen alle der Mischrohre auf dieselbe Weise eingerichtet und die zueinander parallel ausgerichtet sind. In diesen Fällen können die Steuersysteme betrieben werden, um zur Beeinflussung von Verbrennungseigenschaften Verbrennungsprozesse durch Variation von Luft- und/oder Brennstoffaufteilungen zwischen der übergeordneten Düse und der Pilotdüse zu steuern. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Steuerverfahren und -systeme dazu eingerichtet sein, Brennstoff- und/oder Luftzuführungsniveaus ungleichmäßig um den Umfang der Pilotdüse herum zu variieren, was beispielsweise verwendet werden kann, um bestimmte Strömungsmuster zu unterbrechen oder die Entstehung schädlicher Akustik zu verhindern. Solche Maßnahmen können prospektiv oder als Antwort auf eine erfasste Anomalität ergriffen werden. Die Brennstoff- und die Luftzuführung können beispielsweise zu einer bestimmten Untermenge der Mischrohre erhöht oder verringert werden. Diese Maßnahme kann auf einer vordefinierten periodischen Grundlage, als Antwort auf gemessene Betriebsparameter oder andere Bedingungen ergriffen werden.
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17 bis 20 veranschaulichen zusätzliche beispielhafte Ausführungsformen, bei denen schräggestellte Mischrohre 41, die gegenläufig wirbelnde Konfigurationen aufweisen, innerhalb der Mittelkörperwand 63 definiert sind. 17 uns 18 veranschaulichen eine Seitenansicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer repräsentativen Anordnung von gegenläufig wirbelnden spiralförmigen Mischrohren 41 innerhalb der Mittelkörperwand 63. 19 stellt, wie man erkennen wird, eine Einlassansicht der Pilotdüse 40 bereit, die eine repräsentative Anordnung der Einlässe 65 der gegenläufig wirbelnden spiralförmigen Mischrohre 41 an der stromaufwärtigen Stirnfläche 71 der Pilotdüse 40 veranschaulicht. 20 stellt eine Auslassansicht der Pilotdüse 40 bereit, die eine bevorzugte Art veranschaulicht, in der die Auslässe 66 der gegenläufig wirbelnden spiralförmigen Mischrohre 41 an der stromabwärtigen Stirnfläche 72 der Pilotdüse 40 angeordnet sein können. Wie man erkennen wird, kann die Hinzunahme der gegenläufig wirbelnden schräggestellten Mischrohre 41 auf die vorstehend beschriebene Weise verwendet werden, um die Temperatur an der Spitzenzone der Düse zu steuern. Außerdem fördern die gegenläufig wirbelnden schräggestellten Mischrohre aufgrund einer erhöhten Scherung, die durch die gegenläufig wirbelnden Pilotströme verursacht wird, eine größere Durchmischung in dem Spitzenzonenbereich, was für bestimmte Betriebsbedingungen vorteilhaft sein kann.
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21 und 22 veranschaulichen alternative Ausführungsformen, bei denen eine radiale Komponente zu der Austrittsrichtung der Mischrohre 41 hinzugefügt wird. Wie man erkennen wird, veranschaulicht 21 eine Auslassansicht einer alternativen Ausführungsform der Mischrohre, die bezüglich der Austrittsrichtung eine außenliegende Komponente enthält. Im Gegensatz dazu veranschaulicht 22 eine Auslassansicht einer alternativen Ausführungsform der Mischrohre, die bezüglich der Austrittsrichtung eine innenliegende Komponente enthält. Auf diese Weisen können die schräggestellten Mischrohre der vorliegenden Erfindung eingerichtet sein, um sowohl eine radiale Komponente als auch eine tangentiale Komponente in Austrittsrichtung aufzuweisen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die Mischrohre eingerichtet sein, um eine Austrittsrichtung aufzuweisen, die eine radiale Komponente aber keine Komponente in Umfangsrichtung aufweist. Somit können die innenliegende und die außenliegende radiale Komponente zu den axialen oder den schräggestellten Mischrohren hinzugefügt werden. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann der Winkel der innenliegenden und/oder der außenliegenden radialen Komponente einen Bereich zwischen 0,1° und 20° enthalten. Wie vorstehend beschrieben, kann die radiale Komponente bei einer Untermenge der Mischrohre enthalten sein und kann dadurch verwendet werden, um die Scherwirkung der Pilotdüse zu manipulieren, um so die Rezirkulation vorteilhaft zu steuern.
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23 veranschaulicht schematisch die Ergebnisse einer richtungsabhängigen Strömungsanalyse einer Pilotdüse 40, die axiale Mischrohre 41 aufweist, die einen axialen Auslassabschnitt enthalten, während die 24 die Ergebnisse einer richtungsabhängigen Strömungsanalyse schräggestellter Mischrohre 41 schematisch veranschaulicht, die einen schräggestellten Auslassabschnitt aufweisen. Axiale Mischrohre 41 können, wie dargestellt, der Umkehrströmung entgegenwirken, die durch den von den übergeordneten Düsen hervorgerufenen Drall erzeugt wird, was die Flammenstabilität beeinträchtigen kann und die Wahrscheinlichkeit eines Magergemisch-Flammenausblasens erhöht. Dagegen kann der schräggestellte Auslassabschnitt dazu eingerichtet sein, die Pilotreaktanten um die Brennstoffdüsenachse in dieselbe Richtung zu verwirbeln wie der in der primären oder der übergeordneten Düse erzeugte Drall. Wie die Ergebnisse zeigen, erweist sich die wirbelnde Strömung als vorteilhaft, weil die Pilotdüse nun zusammen mit der übergeordneten Düse arbeitet, um eine zentrale Rezirkulationszone zu erzeugen und/oder zu verstärken. Wie veranschaulicht, enthält die Rezirkulationszone, die mit den schräggestellten Mischrohren zusammenhängt, eine viel stärker ausgeprägte und zentralisierte Rezirkulation, die dazu führt, dass Reaktanten von einer weit stromabwärtigen Position zurück zu dem Auslass der Brennstoffdüse gebracht werden. Wie man erkennen wird, ist die zentrale Rückführungszone die Basis für eine durch Verwirbelung stabilisierte Verbrennung, weil die Verbrennungsprodukte zurück zu dem Düsenauslass gezogen und frischen Reaktanten ausgesetzt werden, um so die Entzündung dieser Reaktanten sicherzustellen und dadurch den Prozess fortzusetzen. Die schräggestellten Mischrohre können somit verwendet werden, um die Rezirkulation zu verbessern und dadurch die Verbrennung weiter zu stabilisieren, die verwendet werden kann, um magere Brennstoff-Luft-Gemische weiter zu stabilisieren, die niedrigere NOx-Emissionsniveaus ermöglichen können. Außerdem können Pilotdüsen, die, wie erwähnt, schräggestellte Mischrohre aufweisen, Leistungsvorteile ermöglichen, die mit CO-Emissionsniveaus zusammenhängen. Dies wird aufgrund eines Anreicherungskreislaufs erzielt, der eine lokal heiße Zone an dem Auslass der Brennstoffdüse erzeugt, die die Düsenflammen bindet und einen weiteren CO-Ausbrand ermöglicht. Außerdem kann die ausgeprägte Rezirkulation, die durch die schräggestellten Mischrohre der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, einen CO-Ausbrand unterstützen, indem die Produkte und CO, die während der Verbrennung erzeugt werden, zurück in die zentrale Rezirkulationszone eingemischt werden, um so die Wahrscheinlichkeit dafür, dass CO unverbrannt entweicht, zu minimieren.
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In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von darin enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, an die der Fachmann denkt. Diese weiteren Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche umfassen.
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Eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine enthält: einen länglichen Mittelkörper; eine längliche Umfangswand, die um den Mittelkörper herum ausgebildet ist, um einen primären Strömungsringraum dazwischen zu definieren; eine primäre Brennstoffzuführung und eine primäre Luftzuführung in Fluidverbindung mit einem stromaufwärtigen Ende des primären Strömungsringraums; und eine Pilotdüse. Die Pilotdüse kann in dem Mittelkörper ausgebildet sein und enthalten: axiale längliche Mischrohre, die innerhalb einer Mittelkörperwand definiert sind; eine Brennstofföffnung, die an den Mischrohren zum Anschluss jedes an eine sekundäre Brennstoffzuführung angeordnet ist; und eine sekundäre Luftzuführung, die eingerichtet ist, um mit einem Einlass jedes der Mischrohre strömungsmäßig zu kommunizieren. Mehrere der Mischrohre können als schräggestellte Mischrohre ausgebildet sein, die eingerichtet sind, um eine wirbelnde Strömung um die Mittelachse herum in einem gemeinsamen Auslass daraus herbeizuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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