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HINTERGRUND
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Gasturbinen und insbesondere Injektoren zur axialen Brennstoffstufung in Gasturbinen.
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In einer Gasturbine werden brennbare Materialien (z.B. mit Luft vermischter Brennstoff) in einer Brennkammer unter Erzeugung energiereicher Verbrennungsfluide verbrannt. Die Verbrennungsfluide werden über einen Übergangskanal zu einer Turbine geleitet, in der die Verbrennungsfluide mit Turbinenlaufschaufeln aerodynamisch wechselwirken, wodurch sie diese zum Umlaufen veranlassen. Die Turbine kann mit einem Verdichter über eine oder mehrere Wellen verbunden sein, so dass die umlaufenden Schaufeln der Turbine den Verdichter antreiben. Die Turbine kann verwendet werden, um Elektrizität zu erzeugen, eine Last anzutreiben oder für irgendeinen anderen Gebrauch.
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Emissionen (z.B. NOx-Emissionen) der Gasturbine können reduziert werden, indem der Verbrauch der brennbaren Materialien während der Verbrennung gesteigert wird, was eine vollständigere Verbrennungsreaktion zur Folge hat. Eine Injektion zusätzlicher brennbarer Materialien in die Verbrennungsfluide, während sie durch den Übergangskanal hindurchtreten (d.h. „axiale Brennstoffstufung“) kann die Temperatur und Energie der Verbrennungsfluide erhöhen und zu einem idealeren Brennstoffverbrauch und somit einer Reduktion von Emissionen (z.B. NOx-Emissionen) führen.
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Indem nun auf die Figuren verwiesen wird, zeigt 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Turbomaschinensystems (z.B. einer Gasturbine 10). Die Gasturbine 10 kann einen Flüssig- und/oder Gasbrennstoff verwenden, um die Gasturbine zu betreiben. Der Brennstoff kann ein beliebiger gasförmiger oder flüssiger Brennstoff, wie bspw. Erdgas, verflüssigtes Erdgas (LNG, liquefied natural gas), Synthesegas, Erdölbegleitgas, Methan, Ethan, Butanpropan, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas, Benzin, Diesel, Naphtha, Kerosin, Methanol, Biobrennstoff oder eine beliebige Kombination von diesen, sein. Der Brennstoff kann von einer oder mehreren Brennstoffversorgungen 12 zu einem Brennkammerabschnitt 14 geleitet werden. Der Brennstoff kann mit einem Oxidationsmittel, wie bspw. Luft, an einer oder mehreren Stellen in dem Brennkammerabschnitt 14 vermischt werden. Das Oxidationsmittel-Brennstoff-Gemisch verbrennt in einer oder mehreren Brennkammern 16 (z.B. Brennerrohren) des Brennkammerabschnitts 14, wodurch heiße unter Druck stehende Verbrennungsgase erzeugt werden.
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In einigen Ausführungsformen kann die Gasturbine 10 Brennkammern 16 enthalten, die um eine Welle 18 herum angeordnet sind. Jede Brennkammer 16 kann Verbrennungsgase in eine Turbine 20, die eine oder mehrere Stufen 22 haben kann, zu einem Abgasauslass 24 hin leiten. Jede Stufe 22 kann einen Satz von Laufschaufeln enthalten, die mit einem jeweiligen Laufrad verbunden sind, das mit der Welle 18 gekoppelt ist. Während die Verbrennungsgase eine Rotation der Turbinenschaufeln bewirken, rotiert die Welle 18, um einen Verdichter 26 anzutreiben. Schließlich lässt die Gasturbine 10 die Abgase durch den Abgasauslass 24 heraus.
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Eine oder mehrere Stufen 28 des Verdichters 26 verdichten das Oxidationsmittel (z.B. die Luft) aus dem Oxidationsmitteleinlass 30. Die eine oder mehreren Stufen 28 können mit der Welle 18 gekoppelt sein. Jede Stufe 28 enthält Laufschaufeln, die umlaufen, um den Druck zu erhöhen und um ein verdichtetes Oxidationsmittel zu ergeben. Während die Laufschaufeln im Innern des Verdichters 26 rotieren, wird Oxidationsmittel aus einer Oxidationsmittelversorgung 32 angesaugt.
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Das verdichtete ausgegebene Oxidationsmittel aus dem Verdichter 26 wird in eine oder mehrere Brennkammern 16 in dem Brennkammerabschnitt 14 zur Vermischung mit dem Brennstoff geleitet. Z.B. können Brennstoffdüsen des Brennkammerabschnitts 14 einen Brennstoff und verdichtetes Oxidationsmittel in die Brennkammern 16 in einem zur Verbrennung geeigneten Verhältnis injizieren. Z.B. kann eine geeignete Verbrennung den Brennstoff bei minimalen Emissionen im Wesentlichen vollständig verbrennen.
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Die Welle 18 kann ferner mit einer Last 34 gekoppelt sein, die eine mobile oder eine stationäre Last, wie bspw. ein Propeller an einem Flugzeug oder ein elektrischer Generator in einem Kraftwerk, sein kann. Die Last 34 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung enthalten, die in der Lage ist, durch die Drehabgabe der Gasturbine 10 angetrieben zu werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennkammer 16. Die Brennkammer weist ein Kopfende 50 auf, in dem Brennstoff aus der primären Brennstoffversorgung 12 mit Luft aus dem Verdichter 26 vermischt wird. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird in einer ersten Verbrennungszone 52 verbrannt. Die Fluide strömen dann die Brennkammer 16 hinab zu einem Übergangskanal 54, der eine zweite Verbrennungszone 56 enthält. Der Übergangskanal 54 kann mehrere Injektoren 58 zur axialen Brennstoffstufung (AFS, axial fuel staging) in einer oder mehreren axialen Ebenen (die Injektoren 58 sind in 2 in zwei Ebenen angeordnet) und längs des Umfangs um den Übergangskanal herum verteilt enthalten. Jedoch kann die AFS auch auf eine Kombination aus einer Brennkammerauskleidung und einem Übergangskanal oder eine einteilige (Unibody-)Brennkammer angewandt werden. Die AFS-Injektoren injizieren einen zweiten Brennstoff aus einer sekundären Brennstoffquelle 60, vermischen den zweiten Brennstoff mit Druckluft aus einer Druckluftquelle 61 (z.B. dem Verdichter 26) und injizieren das Gemisch in eine Richtung, die zu der vorherrschenden Strömungsrichtung 62 im Wesentlichen quer ausgerichtet ist. Das Gemisch aus dem zweiten Brennstoff und der Luft kann in der zweiten Verbrennungszone 56 verbrennen. In einigen Ausführungsformen kann der sekundäre Brennstoff von einer sekundären Brennstoffversorgung 60 aus zugeführt werden, wobei in diesem Fall der sekundäre Brennstoff oder die sekundären Brennstoffe flüchtiger sein können als der primäre Brennstoff (z.B. jeder beliebige geeignete gasförmige oder flüssige Brennstoff, wie bspw. Erdgas, Flüssigerdgas (LNG), Synthesegas, Erdölbegleitgas, Methan, Ethan, Butanpropan, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas, Benzin, Diesel, Naphtha, Kerosin, Methanol, Biobrennstoff oder eine beliebige Kombination von diesen). In einigen Ausführungsformen kann der sekundäre Brennstoff der gleiche Brennstoff wie der primäre Brennstoff sein und kann von der primären Brennstoffversorgung 12 aus zugeführt werden. Eine Injektion eines sekundären Brennstoff-Luft-Gemisches in dem Übergangskanal 54 sowie dem Kopfende 50 hilft, eine vollständigere Verbrennung zu fördern, die bestimmte Emissionen (z.B. NOx-Emissionen), reduzieren kann.
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3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht des Übergangskanals 54 mit AFS-Injektoren 58, die in Umfangsrichtung 40 um den Übergangskanal 54 herum angeordnet sind. Derartige Injektoren 58 können denjenigen gleich oder ähnlich sein, die in der auf die gemeinsame Anmelderin übertragenen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 13/233,127 beschrieben ist, deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist. Wie aus 3 ersehen werden kann, sind die AFS-Injektoren 58 insofern „schlitzförmig“, als sie in der Axialrichtung 36 länger sind, als sie (in der Umfangsrichtung 40) weit sind. Druckluft aus dem Verdichter 26 wird durch jeden AFS-Injektor 58 geleitet. Jeder AFS-Injektor 58 injiziert dann den sekundären Brennstoff in den Strömungspfad der Druckluft hinein durch Düsenöffnungen hindurch. Der schlitzförmige AFS-Injektor 58 erstreckt sich in der Radialrichtung 38 durch einen Umkehrströmungsbereich oder eine Kühlhülse hindurch und in das Verdichterausgangsvolumen hinein, das die Brennkammer 16 umgibt. Der AFS-Injektor 58 erstreckt sich ferner in der Axialrichtung 36, die mit dem vorherrschenden Strömungspfad 62 im Wesentlichen ausgerichtet ist, durch den Übergangskanal 54 hindurch. Der AFS-Injektor 58 erstreckt sich ferner in der Umfangsrichtung 40.
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Während die vorerwähnten Injektorsysteme zur axialen Brennstoffstufung bestimmte Vorteile besitzen können, wäre es wünschenswert, Hardware und Techniken zur axialen Brennstoffstufung weiter zu entwickeln, um den Verbrauch brennbarer Materialien weiter zu steigern und Emissionen in Gasturbinen zu reduzieren. Eine derartige Aufgabe wird durch die vorliegende Offenbarung bewältigt.
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KURZBESCHREIBUNG
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Bestimmte Ausführungsformen, die dem Umfang der ursprünglichen Ansprüche entsprechen, sind nachstehend kurz zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken, sondern sind lediglich dazu gedacht, eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen des Anspruchsgegenstandes zu liefern. In der Tat können die Ansprüche vielfältige Formen einnehmen, die den nachstehend erläuterten Ausführungsformen ähnlich sein oder sich von diesen unterscheiden können.
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In einer Ausführungsform enthält ein Injektor zur axialen Brennstoffstufung für eine Gasturbine einen Körper. Der Körper enthält ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende. Der Körper definiert einen primären Druckluftströmungspfad, durch den Druckluft aus einer Druckluftquelle zu einem Übergangskanal einer Gasturbinenbrennkammer strömt. Der Körper enthält mehrere Auslässe, die an dessen Innenfläche angeordnet sind. Jeder Auslass der mehreren Auslässe enthält eine sekundäre Brennstoffleitung in Strömungsverbindung mit einer sekundären Brennstoffquelle und enthält eine erste Wand, die einen sekundären Strömungspfad definiert. Die sekundäre Druckluftleitung ist radial außen von der sekundären Brennstoffleitung und in Strömungsverbindung mit einer Druckluftquelle angeordnet und enthält eine zweite Wand, die in einer im Wesentlichen umschließenden Ringanordnung bzw. Doppelringanordnung um die erste Wand herum angeordnet ist, wobei die erste Wand und die zweite Wand einen sekundären Druckluftströmungspfad definieren. Jeder Auslass ist eingerichtet, um einen sekundären Brennstoff und Druckluft in den primären Druckluftströmungspfad in eine Richtung quer zu dem primären Druckluftströmungspfad zu injizieren, wodurch ein Brennstoff-Luft-Gemisch gebildet wird.
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Der zuvor erwähnte Injektor zur axialen Brennstoffstufung kann eingerichtet sein, um das Brennstoff-Luft-Gemisch zu dem Übergangskanal einer Brennkammer der Gasturbine zu richten.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Injektor zur axialen Brennstoffstufung kann der sekundäre Brennstoff Erdgas, Flüssigerdgas (LNG), Synthesegas, Methan, Ethan, Butanpropan, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas, Benzin, Diesel, Naphtha, Kerosin, Methanol, Biobrennstoff oder eine Kombination von diesen sein.
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In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Injektors zur axialen Brennstoffstufung kann die erste Wand einen Innendurchmesser von etwa 0,105 Zoll und einen Außendurchmesser von etwa 0,125 Zoll aufweisen.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann die zweite Wand einen Innendurchmesser von etwa 0,175 Zoll und einen Außendurchmesser von etwa 0,195 Zoll aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Injektors zur axialen Brennstoffstufung kann die Innenfläche des Körpers eine im Wesentlichen ovale Gestalt aufweisen, und die sekundäre Druckluftleitung kann zu der sekundären Brennstoffleitung konzentrisch sein.
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Zusätzlich kann die im Wesentlichen ovale Gestalt der Innenfläche des Körpers eine vordere Seite und eine hintere Seite enthalten, wobei die vordere und die hintere Seite über bogenförmige Endwände miteinander verbunden sind und wobei die mehreren Auslässe entlang der vorderen Seite und der hinteren Seite des Körpers gleichmäßig voneinander beabstandet sein können.
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In einer zweiten Ausführungsform enthält eine Gasturbine einen Verdichter und eine Brennkammer. Der Verdichter ist eingerichtet, um Luft zu verdichten. Die Brennkammer ist eingerichtet, um Druckluft aus dem Verdichter zu empfangen, einen primären Brennstoff aus einer primären Brennstoffquelle zu empfangen und ein Gemisch aus der Druckluft und dem primären Brennstoff zu verbrennen, was Verbrennungsfluide zur Folge hat. Die Brennkammer enthält einen Übergangskanal und einen Injektor zur axialen Brennstoffstufung. Der Übergangskanal verbindet die Brennkammer strömungsmäßig mit einer Turbine, wobei er eingerichtet ist, um die Verbrennungsfluide zu der Turbine hin zu leiten. Der Injektor zur axialen Brennstoffstufung ist mit dem Übergangskanal gekoppelt und enthält einen Körper und mehrere Auslässe, die an einer Innenfläche des Körpers angeordnet sind. Der Körper weist ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende auf und definiert einen primären Druckluftströmungspfad, durch den Druckluft aus einer Druckluftquelle zu einem Übergangskanal einer Gasturbinenbrennkammer strömt. Jeder Auslass der mehreren Auslässe enthält eine sekundäre Brennstoffleitung in Strömungsverbindung mit einer sekundären Brennstoffquelle und enthält eine erste Wand, die einen sekundären Brennstoffpfad definiert. Jeder Auslass enthält ferner eine sekundäre Druckluftleitung, die radial außen von der sekundären Brennstoffleitung und in Strömungsverbindung mit einer Druckluftquelle angeordnet ist und eine zweite Wand enthält, die um die erste Wand herum in einer im Wesentlichen umschließenden Ringanordnung bzw. Doppelringanordnung angeordnet ist, wobei die erste Wand und die zweite Wand einen sekundären Druckluftströmungspfad definieren. Jeder Auslass ist eingerichtet, um einen sekundären Brennstoff und Druckluft in den primären Druckluftströmungspfad in einer Richtung quer zu dem primären Druckluftströmungspfad zu injizieren, wodurch ein Brennstoff-Luft-Gemisch gebildet wird.
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In der zuvor erwähnten Gasturbine können die mehreren Auslässe an der Innenfläche des stromaufwärtigen Endes des Körpers angeordnet sein.
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Zusätzlich oder als eine Alternative können mehrere Injektoren zur axialen Brennstoffstufung in Umfangsrichtung und Axialrichtung um den Übergangskanal herum angeordnet sein.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Gasturbine können der sekundäre Brennstoff und der primäre Brennstoff gleich sein.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Gasturbine kann die Innenfläche des Körpers eine im Wesentlichen ovale Gestalt aufweisen, die eine vordere Seite und eine hintere Seite enthält, wobei die vordere und die hintere Seite über bogenförmige Endwände miteinander verbunden sind und wobei die mehreren Auslässe entlang der vorderen Seite und der hinteren Seite des Körpers gleichmäßig voneinander beabstandet sein können.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Gasturbine kann die erste Wand einen Innendurchmesser von etwa 0,105 Zoll und einen Außendurchmesser von etwa 0,125 Zoll aufweisen.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann die zweite Wand einen Innendurchmesser von etwa 0,175 Zoll und einen Außendurchmesser von etwa 0,195 Zoll aufweisen.
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In einer dritten Ausführungsform enthält ein Verfahren zur axialen Brennstoffstufung (AFS, axial fuel staging) ein Empfangen einer sekundären Brennstoffströmung aus einer sekundären Brennstoffquelle, Empfangen einer primären Druckluftströmung aus einer Druckluftquelle, Ableiten einer sekundären Druckluftströmung aus der primären Druckluftströmung, Leiten der sekundären Druckluftströmung um die sekundäre Brennstoffströmung herum in einer im Wesentlichen umschließenden Ringanordnung, Injizieren der sekundären Brennstoffströmung und der sekundären Druckluftströmung über eine umschließenden Ringanordnung von Öffnungen in die primäre Druckluftströmung hinein in eine Richtung im Wesentlichen quer zu der primären Druckluftströmung unter Bildung eines Brennstoff- und Luft-Gemisches und Leiten des Brennstoff- und Luft-Gemisches in eine Brennkammer einer Gasturbine hinein von einem Kopfendbereich der Brennkammer aus.
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Das zuvor erwähnte AFS-Verfahren kann ein Leiten des Brennstoff-Luft-Gemisches in einen Übergangskanal der Brennkammer hinein aufweisen.
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Zusätzlich kann die Druckluftquelle der Kopfendbereich der Brennkammer sein.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Druckluftquelle ein Verdichter sein.
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Jedes beliebige vorstehend erwähnte AFS-Verfahren kann ein Leiten der sekundären Brennstoffströmung durch eine sekundäre Brennstoffleitung aufweisen.
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Zusätzlich kann das AFS-Verfahren ein Leiten der sekundären Luftströmung durch eine sekundäre Druckluftleitung aufweisen, die um die sekundäre Brennstoffleitung herum in einer im Wesentlichen umschließenden ringförmigen Anordnung angeordnet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die vorliegende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile über die Zeichnungen hinweg bezeichnen, worin zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Gasturbine;
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Brennkammer gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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3 eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Übergangskanals mit Injektoren zur axialen Brennstoffstufung (AFS), die längs des Umfangs um den Übergangskanal herum angeordnet sind, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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4 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines AFS-Injektors mit umschließendem ringförmigen Auslass gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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5 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines AFS-Injektors mit umschließendem ringförmigen Auslass nach 4, geschnitten entlang der Linie V-V, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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6 eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform von zwei umschließenden ringförmigen Auslässen in einem AFS-Injektor gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
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7 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines umschließenden ringförmigen Auslasses gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
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8 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses zur axialen Brennstoffstufung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen sind nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine konzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können ggf. nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung beschrieben sein. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer jeden derartigen tatsächlichen Implementierung, wie in jedem Ingenieurs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um spezielle Ziele der Entwickler, wie beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Randbedingungen, zu erreichen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Außerdem sollte erkannt werden, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwendig sein könnte, jedoch für Fachleute mit dem Nutzen dieser Offenbarung nichtsdestoweniger eine Routinemaßnahme zur Konstruktion, Fertigung und Herstellung darstellen würde.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sollen im einschließlichen Sinne gemeint sein und bedeuten, dass außer den aufgeführten Elementen zusätzliche Elemente vorhanden sein können. Außerdem sollen beliebige numerische Beispiele in der folgenden Beschreibung nicht beschränkend sein, und somit liegen zusätzliche numerische Werte, Bereiche und Prozentangaben innerhalb des Umfangs der offenbarten Ausführungsformen.
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In einer Brennkammer einer Gasturbine werden brennbare Materialien verbrannt, um energiereiche Verbrennungsfluide zu erzeugen, die durch einen Übergangskanal hindurch zu einer Turbine geleitet werden. In der Turbine wirken die Verbrennungsfluide mit Laufschaufeln aerodynamisch zusammen, und sie veranlassen die Laufschaufeln der Turbine umzulaufen. Durch Injektion zusätzlicher brennbarer Materialien in die Verbrennungsfluide, während diese durch den Übergangskanal strömen (d.h. axiale Brennstoffstufung), kann eine vollständigere Verbrennungsreaktion erreicht werden, was einen größeren Anteil des Verbrauchs der brennbaren Materialien und reduzierte Emissionen zur Folge hat. Durch Injektion von Brennstoff und Druckluft in einer umschließenden Ringanordnung in eine Druckluftströmung hinein von dem Kopfende zu dem Übergangskanal weist der Brennstoff einen höheren Impuls auf, was eine bessere Strahleindringung in die primäre Druckluft durch den geschlitzten Kanal zur Folge hat. Dies wiederum ermöglicht diesem, sich mit der Druckluft gründlich zu vermischen. Auf diese Weise wird das axial gestufte Brennstoff-Luft-Gemisch beim Erreichen der Verbrennungsfluide in dem Übergangskanal besser vermischt sein.
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4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70. Der umschließende ringförmige AFS-Injektor 70 erstreckt sich in der radialen Richtung 38 bis zu einer Wand des Übergangskanals 54. Der umschließende ringförmige AFS-Injektor 70 weist einen nach außen weisenden Abschnitt 72 und einen Körper 74 auf. Der nach außen weisende Abschnitt 72 ist relativ zu der Längsachse der Brennkammer 16 nach außen gerichtet. Der Körper 74 weist eine Länge 76 auf, die sich in der Axialrichtung 36 erstreckt und die mit dem vorherrschenden Strömungspfad 62 durch den Übergangskanal 54 im Wesentlichen ausgerichtet ist. Der Körper 74 weist ferner eine Tiefe 78 auf. Der umschließende ringförmige AFS-Injektor 70 kann eine Innenfläche 80 aufweisen, die einen primären Druckluftströmungspfad 82 definiert. Der nach außen weisende Abschnitt 72 enthält ein Injektionssystem 84, das an dem stromaufwärtigen Ende des umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70 angeordnet ist, um den sekundären Brennstoff und Druckluft in den primären Druckluftströmungspfad 82 zu injizieren. Wie in 4 veranschaulicht, kann das Injektionssystem 88 eine Anzahl von Auslässen 86 enthalten, die an der Innenfläche 80 des umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70 angeordnet sind. Die Auslässe 86 können auf einer oder beiden von der vorderen 88 und der hinteren 90 Seite des umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70 angeordnet sein. Es kann eine beliebige Anzahl von Auslässen 86 geben, die an jeder Seite 88, 90 des umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70 angeordnet sind. Zum Beispiel können mögliche Ausführungsformen 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 oder eine beliebige sonstige Anzahl von Auslässen 86 auf jeder Seite 88, 90 aufweisen. In einigen Ausführungsformen können auch Auslässe 86 vorhanden sein, die entlang der Tiefe 78 des umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70 angeordnet sind. Jeder Auslass 86 kann eine sekundäre Brennstofföffnung 92 und eine sekundäre Druckluftöffnung 94 enthalten, die in einer ringförmig umschließenden Weise um die sekundäre Brennstofföffnung 92 herum angeordnet ist. Während Druckluft entlang des primären Druckluftströmungspfades 82 in der Radialrichtung 38 durch den Innenraum des umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70 strömt, injizieren die Auslässe 86 den sekundären Brennstoff (z.B. durch die sekundäre Brennstofföffnung 92) und Druckluft (z.B. durch die sekundäre Druckluftöffnung 94) in den primären Druckluftstrom 82 hinein, in einer Richtung im Wesentlichen quer zu dem Druckluftströmungspfad 82. Es ist festgestellt worden, dass Druckluft und sekundärer Brennstoff, die durch die Auslässe 86 in einer umschließenden Ringanordnung injiziert werden, eine vollständigere Vermischung des sekundären Brennstoffs und der Druckluft zur Folge haben. Wie in größeren Einzelheiten in Bezug auf die 5–7 nachstehend erläutert, können die Auslässe 86 eingerichtet sein, um Druckluft und einen sekundären Brennstoff in den primären Druckluftströmungspfad 82 hinein in einer umschließenden ringförmigen Weise zu injizieren.
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5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines AFS-Injektors 70 mit umschließender ringförmiger Öffnung, wie von der Linie V-V in 4 aus gezeigt, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Eine perspektivische Schnittansicht von zwei umschließenden doppelringförmigen Auslässen 86 in dem AFS-Injektor 70 ist in 6 veranschaulicht.
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Wie in 5 veranschaulicht, wird sekundärer Brennstoff aus einer sekundären Brennstoffquelle durch einen sekundären Brennstoffverteiler 110 hindurch und in eine sekundäre Brennstoffleitung 112 hinein gesaugt, die einen sekundären Brennstoffströmungspfad 114 definiert. Der primäre Druckluftströmungspfad 82 verläuft von einem stromaufwärtigen Ende 116 des Injektors 70 zu einem stromabwärtigen Ende 118 des Injektors 70, das mit dem Übergangskanal 54 in Kontakt steht. Ein Teil der primären Druckluftströmung wird durch einen sekundären Druckluftverteiler 120 zu einer im Wesentlichen ovalen sekundären Druckluftleitung 122 geleitet, die zu der sekundären Brennstoffleitung 114 konzentrisch (radial außen von dieser und diese umgebend) angeordnet ist. Der sekundäre Druckluftströmungspfad 124 ist um den sekundären Brennstoffströmungspfad 114 herum in einer umschließenden ringförmigen Weise (in eine Anordnung, die als eine Rohr-im-Rohr-Anordnung beschrieben werden kann) geführt, so dass der sekundäre Brennstoff und die Druckluft als ein umschließender ringförmiger Strom in den primären Druckluftströmungspfad 82 hinein in einer Richtung quer zu der Richtung des primären Druckluftströmungspfads 82 injiziert werden. Die sekundäre Brennstoffleitung 112 und die sekundäre Druckluftleitung 154 definieren gemeinsam einen sekundären Druckluftströmungspfad 124 in Strömungsverbindung mit dem primären Druckluftströmungspfad 82.
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Eine Anzahl von umschließenden doppelringförmigen Auslässen 86 kann entlang der Längserstreckung und der Tiefe des umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70 angeordnet sein, um mehrere Injektionsstellen für die Einbringung von umschließenden ringförmigen sekundären Brennstoff/Luft-Strömen bereitzustellen. Obwohl 5 einen einzigen Auslass 86 auf jeder der vorderen und hinteren Seite 88, 90 des umschließenden ringförmigen AFS-Injektors 70 zeigt, sollte verstanden werden, dass eine oder beide von der vorderen und der hinteren Seite 88, 90 mehrere Auslässe 86 und jeweilige Leitungen 112, 122 enthalten können, die mit den Verteilern 110, 120 strömungsmäßig verbunden sind, die eingerichtet sind, um Druckluft und sekundären Brennstoff zu den jeweiligen Leitungen 112, 122 zu verteilen. Jeder Auslass 86 ist durch eine Rohr-im-Rohr-Anordnung gebildet, die die sekundäre Brennstoffleitung 112 und die sekundäre Druckluftleitung 122 enthält, wie in den 6 und 7 veranschaulicht. Die Injektion des sekundären Brennstoffs und der Druckluft in den Druckluftströmungspfad 82 hinein hilft, eine Vermischung zwischen dem sekundären Brennstoff und der Druckluft zu verbessern, wodurch der Impuls des sekundären Brennstoff erhöht wird, was dadurch eine bessere Durchdringung und Vermischung mit Druckluft bewirkt.
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7 zeigt eine Schnittansicht eines umschließenden doppelringförmigen Auslasses 86, geschnitten entlang der Linie VII-VII nach 6. Sekundärer Brennstoff strömt durch den sekundären Brennstoffströmungspfad 114 hindurch in einer sekundären Brennstoffleitung 112. Die sekundäre Brennstoffleitung weist eine erste Wand 148 mit einem Innendurchmesser 150 und einem Außendurchmesser 152 auf. In der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform beträgt der Innendurchmesser 150 der ersten Wand 148 ungefähr 0,105 Zoll, und der Außendurchmesser der ersten Wand 148 beträgt ungefähr 0,125 Zoll, wobei jedoch andere Abmessungen möglich sind. Druckluft strömt durch den sekundären Druckluftströmungspfad 124, durch eine sekundäre Druckluftleitung 122 hindurch. Die sekundäre Druckluftleitung 122 weist eine zweite Wand 156 mit einem Innendurchmesser 158 und einem Außendurchmesser 160 auf. In der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform beträgt der Innendurchmesser 158 der zweiten Wand 156 ungefähr 0,175 Zoll, während der Außendurchmesser 160 der zweiten Wand 156 ungefähr 0,195 Zoll beträgt, wobei jedoch andere Abmessungen möglich sein können. Es ist zu beachten, dass der sekundäre Druckluftströmungspfad 124 um den sekundären Brennstoffströmungspfad 114 herum in einer im Wesentlichen umschließenden ringförmigen (doppelringförmige) und in einigen Ausführungsformen koaxialen Anordnung angeordnet ist.
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8 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines axialen Brennstoffstufungsprozesses 200. Im Block 202 wird eine sekundäre Brennstoffströmung von einer sekundären Brennstoffquelle aus empfangen. Der sekundäre Brennstoff kann ein beliebiger geeigneter gasförmiger oder flüssiger Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, Flüssigerdgas (LNG), Synthesegas, Erdölbegleitgas, Methan, Ethan, Butanpropan, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas, Benzin, Diesel, Naphtha, Kerosin, Methanol, Biobrennstoff oder eine beliebige Kombination von diesen, sein. Alternativ kann der sekundäre Brennstoff von der primären Brennstoffversorgung empfangen werden und somit die gleiche Brennstoffart sein. Die sekundäre Brennstoffströmung kann von einem sekundären Brennstoffverteiler 110 empfangen und zu einer oder mehreren sekundären Brennstoffleitungen 112 verteilt werden. Im Block 204 kann eine primäre Druckluftströmung von einer Druckluftquelle aus empfangen werden. Die Druckluftströmung kann unmittelbar von dem Verdichter 26 oder von einer anderen Druckluftquelle stammen.
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Im Block 206 wird eine sekundäre Druckluftströmung aus der primären Druckluftströmung 82 durch einen sekundären Druckluftverteiler 120 abgeleitet und zu einer oder mehreren sekundären Druckluftleitungen 122 verteilt. Eine Ausführungsform des Ableitens der sekundären Druckluftströmung aus der primären Druckluftströmung ist in Bezug auf 5 veranschaulicht und erläutert. Im Block 208 kann die sekundäre Druckluftströmung um den sekundären Brennstoffpfad 114 herum in einer umschließenden ringförmigen Anordnung bzw. Doppelringanordnung geführt werden. Zum Beispiel kann die sekundäre Druckluftströmung durch die sekundäre Druckluftleitung 122 hindurch geleitet werden, die im Wesentlichen ringförmig umschließend und in einigen Fällen koaxial zu der sekundären Brennstoffleitung 112 angeordnet ist, wie dies in Bezug auf 5 veranschaulicht und erläutert ist. Eine Ausführungsform der sekundären Brennstoffleitung 112 und der sekundären Druckluftleitung 122 ist in 7 veranschaulicht. In der Ausführungsform nach 7 definiert die erste Wand 148 den sekundären Brennstoffströmungspfad 114. Die zweite Wand 156, die in einer umschließenden Ringanordnung um die erste Wand 148 herum angeordnet ist, und die erste Wand 148 definieren einen sekundären Druckluftströmungspfad 124. Die sekundäre Brennstoffströmung und die sekundäre Druckluftströmung werden durch die jeweiligen Leitungen 112, 122 hindurch zu einem oder mehreren umschließenden doppelringförmigen Auslässen 86 geleitet.
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Im Block 210 werden die sekundäre Brennstoffströmung und die sekundäre Druckluftströmung (z.B. durch den umschließenden doppelringförmigen Auslass 86 hindurch) in die primäre Druckluftströmung 82 hinein (z.B. durch den Körper 74 des AFS-Injektors 70 hindurch) in eine Richtung im Wesentlichen quer zu dem primären Druckluftströmungspfad 82 injiziert. Der sekundäre Brennstoff vermischt sich, während er strömt, mit der Druckluft unter Bildung eines Brennstoff- und Luft-Gemisches. Im Block 212 wird das Brennstoff- und Luft-Gemisch in den Übergangskanal 54 der Brennkammer 16 der Gasturbine 10 hinein geleitet.
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Technische Effekte der Erfindung umfassen eine umschließende ringartige Injektion von sekundärem Brennstoff und Druckluft in einen Druckluftstrom hinein, der zu dem Übergangskanal einer Gasturbinenbrennkammer geleitet wird. Die offenbarten Techniken verbessern eine Vermischung zwischen der Druckluft und dem sekundären Brennstoff, was reduzierte Emissionen der Gasturbine zur Folge hat.
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Obwohl die Darstellungen des vorliegenden Injektors 70 ein einziges Paar von umschließenden ringförmigen Auslässen 86 enthalten, sollte verstanden werden, dass eine beliebige Anzahl von Auslässen 86 verwendet werden kann. Außerdem sollte verstanden werden, dass, obwohl in der gesamten Beschreibung auf die in dem Übergangskanal 54 der Brennkammer 16 erfolgende axiale Brennstoffstufung Bezug genommen ist, der vorliegende Injektor 70 in dem hinteren Ende der Auskleidung (zwischen dem Kopfende 50 und dem Übergangskanal 54) verwendet werden kann oder er in Brennkammern, die eine vereinigte Auskleidung- und Übergangskanal-Einheit aufweisen (die manchmal als „einteilig“ („Unibody-“) bezeichnet werden), an einer beliebigen Stelle stromabwärts von dem Kopfende 50 verwendet werden kann. Der Ausdruck „Übergangskanal“ wird somit passend als eine Struktur zur Übertragung heißer Verbrennungsgase aus dem Kopfende 50 der Brennkammer 10 zu dem Turbinenabschnitt 20 interpretiert.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Ein Injektor 70 zur axialen Brennstoffstufung für eine Gasturbine 10 enthält einen Körper 170. Der Körper 170 enthält ein stromaufwärtiges Ende 172 und ein stromabwärtiges Ende 174. Der Körper 170 definiert einen primären Druckluftströmungspfad 82, durch den Druckluft aus einer Druckluftquelle 61 zu einem Übergangskanal 54 einer Gasturbinenbrennkammer 16 strömt. Der Körper 170 enthält mehrere Auslässe 86, die an dessen Innenfläche 80 angeordnet sind. Jeder Auslass 86 der mehreren Auslässe 86 enthält eine sekundäre Brennstoffleitung 112 in Strömungsverbindung mit einer sekundären Brennstoffquelle 60 und enthält eine erste Wand 148, die einen sekundären Brennstoffpfad 114 definiert. Die sekundäre Druckluftleitung 122 steht mit einer Druckluftquelle 61 in Strömungsverbindung und enthält eine zweite Wand 156, die um die erste Wand 148 herum in einer im Wesentlichen umschließenden ringförmigen Anordnung angeordnet ist, wobei die erste Wand 148 und die zweite Wand 156 einen sekundären Druckluftströmungspfad 124 definieren. Jeder Auslass 86 ist eingerichtet, um einen sekundären Brennstoff und Druckluft in den primären Druckluftströmungspfad 82 hinein in eine Richtung quer zu dem primären Druckluftströmungspfad 82 unter Bildung eines Brennstoff-Luft-Gemisches zu injizieren.
