DE102018131660A1 - Brennstoffinjektionsanordnungen zur axialen Brennstoffstufung in Gasturbinenbrennkammern - Google Patents

Brennstoffinjektionsanordnungen zur axialen Brennstoffstufung in Gasturbinenbrennkammern Download PDF

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Gilbert O. Kraemer
James Harper
Robert Wade Clifford
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Matthew Bernard WILSON
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Abstract

Es ist eine Injektionsanordnung für eine Gasturbinenbrennkammer geschaffen, die ein Flammrohr, das eine Verbrennungszone und eine sekundäre Verbrennungszone definiert, und ein vorderes Gehäuse aufweist, das wenigstens einen Abschnitt des Flammrohrs längs des Umfangs umgibt. Die Injektionsanordnung enthält eine Leitrohranordnung und eine Injektoreinheit. Die Leitrohranordnung, die an dem Flammrohr montiert ist, enthält ein Leitrohr, das sich durch eine Leitrohröffnung in dem Flammrohr hindurch erstreckt. Die Injektoreinheit, die an dem vorderen Gehäuse montiert ist und sich durch dieses hindurch erstreckt, enthält ein Injektorblatt, das sich in das Leitrohr hinein erstreckt. Die Injektionsanordnung leitet eine Brennstoffströmung in eine Luftströmung ein, die durch das Leitrohr strömt, so dass Brennstoff und Luft in die sekundäre Verbrennungszone in eine Richtung quer zu einer Strömung von Verbrennungsprodukten aus der primären Verbrennungszone injiziert werden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Gasturbinenbrennkammern, die in Gasturbinen zur elektrischen Energieerzeugung verwendet werden, und insbesondere Brennstoffinjektionsanordnungen zur axialen Brennstoffstufung derartiger Brennkammern.
  • HINTERGRUND
  • Wenigstens einige bekannte Gasturbinenanordnungen werden zur elektrischen Energieerzeugung verwendet. Derartige Gasturbinenanordnungen umfassen einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Gas (z.B. Umgebungsluft) strömt durch den Verdichter, wo das Gas vor der Zuführung zu einer oder mehreren Brennkammern verdichtet wird. In jeder Brennkammer wird die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase werden aus jeder Brennkammer zu der und durch die Turbine geleitet, wodurch die Turbine angetrieben wird, die wiederum einen mit der Turbine gekoppelten elektrischen Generator antreibt. Die Turbine kann ferner den Verdichter mittels einer gemeinsamen Welle oder eines Rotors antrieben.
  • In einigen Brennkammern findet die Erzeugung von Verbrennungsgasen in zwei axial voneinander beabstandeten Stufen statt, um Emissionen zu reduzieren und/oder um die Möglichkeit zu schaffen, die Gasturbine bei reduzierten Lasten zu betreiben (was gewöhnlich als „Teillastbetrieb“ bezeichnet wird). Auf derartige Brennkammern wird hierin derart Bezug genommen, dass sie ein System zur „axialen Brennstoffstufung“ (AFS, axial fuel staging) enthalten, das einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel zu einem oder mehreren Brennstoffinjektoren stromabwärts des Kopfendes der Brennkammer liefert. In einer Brennkammer mit einem AFS-System injiziert eine oder injizieren mehrere primäre Brennstoffdüsen an einem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer Brennstoff und Luft (z.B. ein Brennstoff/Luft-Gemisch) in einer axialen Richtung in eine primäre Verbrennungszone hinein, und ein oder mehrere AFS-Brennstoffinjektoren, die an einer Position stromabwärts der primären Brennstoffdüse(n) angeordnet sind, injizieren Brennstoff und Luft (oder ein zweites Brennstoff/Luft-Gemisch) durch das Flammrohr hindurch als einen Querstrom in eine sekundäre Verbrennungszone stromabwärts der primären Verbrennungszone hinein. Der Querstrom ist im Wesentlichen quer zu der Strömung der Verbrennungsprodukte aus der primären Verbrennungszone ausgerichtet.
  • In einigen Fällen wird die Brennstoffzufuhr zu den AFS-Injektoren durch Brennstoffleitungen befördert, die an dem Brennkammerflammrohr angebracht und im Inneren des Verbrennungsgehäuses angeordnet sind. Derartige Konfigurationen können Probleme bei der Montage und Schwierigkeiten bei der Erkennung von Leckagen zur Folge haben. Aufgrund der Möglichkeit von Leckagen im Inneren des Brennkammergehäuses wird außerdem die Verwendung hochreaktiver Brennstoffe in bestehenden Brennkammern mit AFS-Injektoren begrenzt oder beschränkt, was auf das Risiko zurückzuführen ist, dass der durchgesickerte hochreaktive Brennstoff innerhalb der Hochdruck-Hochtemperatur-Umgebung des Brennkammergehäuses verbrennen kann.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • Gemäß einem ersten hierin geschaffenen Aspekt enthält eine Brennkammer für eine Energieerzeugungsgasturbine: ein Kopfende, das eine primäre Brennstoffdüse aufweist; ein Flammrohr, das mit dem Kopfende gekoppelt ist und das eine primäre Verbrennungszone in der Nähe des Kopfendes und eine sekundäre Verbrennungszone stromabwärts der primären Verbrennungszone definiert; ein vorderes Gehäuse radial außen von wenigstens einem Abschnitt des Flammrohrs und diesen umgebend; und ein axiales Brennstoffstufungssystem. Das axiale Brennstoffstufungssystem enthält eine erste Brennstoffinjektionsanordnung, die enthält: eine erste Leitrohranordnung und eine erste Injektoreinheit. Die erste Leitrohranordnung ist an dem Flammrohr montiert und enthält ein erstes Leitrohr, das sich durch eine erste Leitrohröffnung in dem Flammrohr hindurch erstreckt. Die erste Injektoreinheit ist an dem vorderen Gehäuse angebracht und erstreckt sich durch das vordere Gehäuse hindurch, so dass ein Abschnitt der ersten Injektoreinheit innerhalb des ersten Leitrohrs angeordnet ist und ein Hauptbrennstoffeinlass außerhalb des vorderen Gehäuses angeordnet ist. Die erste Brennstoffinjektionsanordnung leitet eine Brennstoffströmung in eine Luftströmung ein, die durch das erste Leitrohr strömt, so dass ein Brennstoff und Luft in die sekundäre Verbrennungszone in einer Richtung quer zu einer Strömung der Verbrennungsprodukte aus der primären Verbrennungszone injiziert werden.
  • Gemäß einem zweiten hierin geschaffenen Aspekt enthält eine Brennkammer für eine Energieerzeugungsgasturbine: ein Kopfende, das eine primäre Brennstoffdüse aufweist; ein Flammrohr, das mit dem Kopfende gekoppelt ist und das eine primäre Verbrennungszone in der Nähe des Kopfendes und eine sekundäre Verbrennungszone stromabwärts der primären Verbrennungszone definiert; ein vorderes Gehäuse radial außen von wenigstens einem Abschnitt des Flammrohrs und diesen umgebend; und ein axiales Brennstoffstufungssystem. Das axiale Brennstoffstufungssystem enthält mehrere Brennstoffinjektionsanordnungen. Jede Brennstoffinjektionsanordnung enthält eine Leitrohranordnung und eine Injektoreinheit. Die Leitrohreinheit ist an dem Flammrohr montiert und enthält ein Leitrohr, das sich durch eine Leitrohröffnung in dem Flammrohr hindurch erstreckt. Die Injektoreinheit ist an dem vorderen Gehäuse angebracht und erstreckt sich durch das vordere Gehäuse hindurch, so dass ein Abschnitt der Injektoreinheit innerhalb des Leitrohrs angeordnet ist und ein Brennstoffleitungsanschlussstück der Injektoreinheit außerhalb des vorderen Gehäuses angeordnet ist. Die Injektoreinheit leitet eine Brennstoffströmung in eine Luftströmung ein, die durch das Leitrohr strömt, so dass ein Brennstoff und Luft in die sekundäre Verbrennungszone in einer Richtung quer zu einer Strömung von Verbrennungsprodukten aus der primären Verbrennungszone injiziert werden.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Injektionsanordnung für eine Gasturbinenbrennkammer geschaffen, die ein Flammrohr, das eine Verbrennungszone und eine sekundäre Verbrennungszone definiert, und ein vorderes Gehäuse aufweist, das wenigstens einen Abschnitt des Flammrohrs längs des Umfangs umgibt. Die Injektionsanordnung enthält eine Leitrohranordnung und eine Injektoreinheit. Die Leitrohranordnung enthält eine Leitrohrnabe, die an dem Flammrohr montiert ist, und ein Leitrohr, das sich durch die Leitrohrnabe und eine Leitrohröffnung in dem Flammrohr hindurch erstreckt. Die Injektoreinheit, die an dem vorderen Gehäuse montiert ist und sich durch dieses hindurch erstreckt, enthält ein Injektorblatt, das sich in das Leitrohr hinein erstreckt. Die Injektionsanordnung leitet eine Brennstoffströmung in eine Luftströmung ein, die durch das Leitrohr strömt, so dass ein Brennstoff und Luft in die sekundäre Verbrennungszone in eine Richtung quer zu einer Strömung von Verbrennungsprodukten aus der primären Verbrennungszone injiziert werden.
  • In der zuvor erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem dritten Aspekt kann die Injektoreinheit einen Montageflansch aufweisen, der an dem vorderen Gehäuse gesichert ist.
  • In bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem dritten Aspekt kann die Injektoreinheit einen Brennstoffeinlass und einen Körper aufweisen, der ein Brennstoffplenum in Fluidverbindung mit dem Brennstoffeinlass definiert.
  • Zusätzlich kann das Injektorblatt mehrere Brennstoffinjektionsöffnungen definieren, wobei die mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen mit dem Brennstoffplenum in Fluidverbindung stehen.
  • Weiter zusätzlich oder als eine Alternative kann das Injektorblatt eine erste Injektionsfläche, eine zweite Injektionsfläche, die an einem Endrand des Injektorblattes mit der ersten Injektionsfläche verbunden ist, und ein Paar Verbindungsflächen zwischen der ersten Injektionsfläche und der zweiten Injektionsfläche aufweisen. Außerdem können die mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen einen ersten Satz von Brennstoffinjektionsöffnungen, die durch die erste Injektionsfläche hindurch angeordnet sind, und einen zweiten Satz von Brennstoffinjektionsöffnungen aufweisen, die durch die zweite Injektionsfläche hindurch angeordnet sind.
  • Noch weiter kann jede Verbindungsfläche des Paars von Verbindungsflächen eine Brennstoffinjektionsöffnung definieren, wobei die Brennstoffinjektionsöffnung stromabwärts des ersten Satzes von Brennstoffinjektionsöffnungen und des zweiten Satzes von Brennstoffinjektionsöffnungen relativ zu einer Brennstoffströmung durch die Injektoreinheit angeordnet ist.
  • In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem dritten Aspekt kann das Injektorblatt eine erste axiale Länge definieren, und das Leitrohr kann eine zweite axiale Länge definieren, die größer ist als die erste axiale Länge, so dass Luft um das Injektorblatt herum strömt, um sich innerhalb des Leitrohrs mit einem Brennstoff aus dem Injektorblatt zu vermischen.
  • In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem dritten Aspekt kann das Injektorblatt zu dem Leitrohr versetzt sein, wenn die Injektionsanordnung eingebaut ist, und das Injektorblatt und das Leitrohr können entlang einer gemeinsamen Injektionsachse zentriert sein, wenn die Injektionsanordnung im Betrieb ist.
  • In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem dritten Aspekt kann das Leitrohr einen Einlassabschnitt mit einer elliptischen Form und eine Auslassöffnung mit einer elliptischen Form aufweisen.
  • Zusätzlich kann der Einlassabschnitt in einer ersten Ebene definiert sein, und die Auslassöffnung kann in einer zweiten Ebene definiert sein, wobei die zweite Ebene unter einem schrägen Winkel in Bezug auf die erste Ebene ausgerichtet ist.
  • In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem dritten Aspekt kann die Injektoreinheit ein Brennstoffleitungsanschlussstück in Strömungsverbindung mit einer benachbarten Injektoreinheit aufweisen, die an dem vorderen Gehäuse montiert und von der Injektionsanordnung in Umfangsrichtung getrennt ist.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Injektionsanordnung für eine Gasturbinenbrennkammer geschaffen, die ein Flammrohr, das eine Verbrennungszone und eine sekundäre Verbrennungszone definiert, und ein vorderes Gehäuse aufweist, das wenigstens einen Abschnitt des Flammrohrs längs des Umfangs umgibt. Die Injektionsanordnung enthält eine Leitrohranordnung und eine Injektoreinheit. Die Leitrohranordnung, die an dem Flammrohr montiert ist, enthält ein Leitrohr, das sich durch eine Leitrohröffnung in dem Flammrohr hindurch erstreckt. Die Injektoreinheit, die an dem vorderen Gehäuse montiert ist und sich durch dieses hindurch erstreckt, enthält ein Injektorblatt, das sich in das Leitrohr hinein erstreckt. Die Injektionsanordnung leitet eine Brennstoffströmung in eine Luftströmung ein, die durch das Leitrohr strömt, so dass ein Brennstoff und Luft in die sekundäre Verbrennungszone in eine Richtung quer zu einer Strömung von Verbrennungsprodukten aus der primären Verbrennungszone injiziert werden.
  • In der zuvor erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem vierten Aspekt kann die Injektoreinheit einen Montageflansch aufweisen, der an dem vorderen Gehäuse gesichert ist.
  • In bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem vierten Aspekt kann die Injektoreinheit einen Brennstoffeinlass und einen Körper aufweisen, der ein Brenstoffplenum in Fluidverbindung mit dem Brennstoffeinlass definiert.
  • Zusätzlich kann das Injektorblatt mehrere Brennstoffinjektionsöffnungen definieren, wobei die mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen mit dem Brennstoffplenum in Fluidverbindung stehen.
  • Weiter zusätzlich oder als eine Alternative kann das Injektorblatt eine erste Injektionsfläche, eine zweite Injektionsfläche, die mit der ersten Injektionsfläche an einem Endrand des Injektorblattes verbunden ist, und ein Paar Verbindungsflächen zwischen der ersten Injektionsfläche und der zweiten Injektionsfläche aufweisen. Außerdem können die mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen einen ersten Satz von Brennstoffinjektionsöffnungen, die durch die erste Injektionsfläche hindurch angeordnet sind, und einen zweiten Satz von Brennstoffinjektionsöffnungen aufweisen, die durch die zweite Injektionsfläche hindurch angeordnet sind.
  • In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem vierten Aspekt kann das Injektorblatt eine erste axiale Länge definieren, wobei das Leitrohr eine zweite axiale Länge definieren kann, die größer ist als die erste axiale Länge, und wobei das Injektorblatt und das Leitrohr im Betrieb entlang einer gemeinsamen Injektionsachse zentriert sein können, so dass Luft um das Injektorblatt herum strömt, um sich innerhalb des Leitrohrs mit einem Brennstoff aus dem Injektorblatt zu vermischen.
  • In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem vierten Aspekt kann das Injektorblatt zu dem Leitrohr versetzt sein, wenn die Injektionsanordnung eingebaut ist; und das Injektorblatt und das Leitrohr können entlang einer gemeinsamen Injektionsachse zentriert sein, wenn sich die Injektionsanordnung im Betrieb befindet.
  • In bevorzugten Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Injektionsanordnung gemäß dem vierten Aspekt kann die Leitrohranordnung eine Leitrohrnabe aufweisen, die an dem Flammrohr montiert ist, wobei sich das Leitrohr durch die Leitrohrnabe hindurch erstreckt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Leitrohranordnung zur Leitung einer Fluidströmung durch ein Brennkammerflammrohr geschaffen. Die Leitrohranordnung enthält eine Leitrohrnabe und ein Leitrohr. Die Leitrohrnabe ist an einer äußeren Fläche des Brennkammerflammrohrs montiert und umgibt eine Leitrohröffnung in dem Brennkammerflammrohr, wodurch ein Durchgang durch die Leitrohrnabe hindurch definiert ist. Das Leitrohr ist durch den Durchgang und die Leitrohranordnung in dem Brennkammerflammrohr hindurch angeordnet. Das Leitrohr enthält eine Leitrohrwand, die sich von einem Einlassabschnitt bis zu einer Auslassöffnung des Leitrohrs erstreckt, wobei der Einlassabschnitt einen größeren Durchmesser als die Auslassöffnung aufweist. Eine innere Fläche der Leitrohrwand definiert eine bogenförmige Gestalt von dem Einlassabschnitt zu der Auslassöffnung, und die bogenförmige Gestalt definiert ein Viertel einer Ellipse.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Leitrohranordnung zur Leitung einer Fluidströmung durch ein Brennkammerflammrohr hindurch geschaffen. Die Leitrohranordnung enthält eine Leitrohrnabe und ein Leitrohr. Die Leitrohrnabe ist an einer äußeren Fläche des Brennkammerflammrohrs montiert und umgibt eine Öffnung in dem Brennkammerflammrohr, womit ein Durchgang durch die Leitrohrnabe hindurch definiert ist. Das Leitrohr ist durch den Durchgang und die Öffnung in dem Brennkammerflammrohr hindurch angeordnet. Das Leitrohr enthält eine Leitrohrwand, die sich von einem Einlassabschnitt bis zu einem Auslass des Leitrohrs erstreckt. Der Einlassabschnitt, der einen größeren Durchmesser als der Auslass aufweist, definiert eine Einlassebene und eine Zwischenebene parallel zu der Einlassebene. Der Einlassabschnitt definiert ferner eine elliptische Gestalt, die einen Mittelpunkt aufweist, der mit einer Injektionsachse des Leitrohrs zusammenfällt. Eine Endebene, die parallel zu der Zwischenebene definiert ist, enthält eine Anordnung von Punkten, die von einer entsprechenden Anordnung von Punkten, die die Zwischenebene definieren, am weitesten entfernt sind. Die Leitrohrwand weist eine ungleichmäßige Länge auf, so dass der Auslass des Leitrohrs unter einem schrägen Winkel in Bezug auf die Endebene ausgerichtet ist.
  • Figurenliste
  • Die Beschreibung, die sich an einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet richtet, legt eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Gegenstände und Verfahren, einschließlich der besten Ausführungsart zur Verwendung derselben, dar. Die Beschreibung nimmt auf die beigefügten Figuren Bezug, in denen zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanordnung zur Energieerzeugung, wie sie das vorliegende axiale Brennstoffstufungssystem und dessen zugehörige Brennstoffinjektionsanordnungen verwenden kann, wie sie hierin beschrieben sind;
    • 2 eine geschnittene Seitenansicht eines Brennrohrs, das das vorliegende axiale Brennstoffstufungssystem enthält, gemäß einem ersten hierin bereitgestellten Aspekt;
    • 3 eine Perspektivansicht eines Abschnitts des Brennrohrs nach 2, einschließlich der vorliegenden Brennstoffinjektionsanordnungen des axialen Brennstoffstufungssystems;
    • 4 eine geschnittene Seitenansicht des Brennrohrs nach 3;
    • 5 eine geschnittene Seitenansicht eines Abschnitts eines Brennrohrs, der die vorliegenden Brennstoffinjektionsanordnungen des axialen Brennstoffstufungssystems enthält, gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 6 eine Querschnittsansicht der vorliegenden Brennstoffinjektionsanordnungen, wie sie in einer ersten beispielhaften Konfiguration im Inneren des Brennrohrs nach 2 eingebaut sind, aufgenommen von einem hinteren Ende des Brennrohrs aus, mit Blick in eine Vorwärtsrichtung;
    • 7 eine Querschnittsansicht der vorliegenden Brennstoffinjektoren, wie sie in einer zweiten beispielhaften Konfiguration innerhalb des Brennrohrs nach 2 eingebaut sind, aufgenommen von einem hinteren Ende des Brennrohrs aus, mit Blick in eine Vorwärtsrichtung;
    • 8 eine geschnittene Seitenansicht einer der Brennstoffinjektionsanordnungen des vorliegenden axialen Brennstoffstufungssystems;
    • 9 eine geschnittene Seitenansicht einer anderen der Brennstoffinjektionsanordnungen des vorliegenden axialen Brennstoffstufungssystems;
    • 10 eine schematische Perspektivansicht eines Injektorblattes, das zur Verwendung mit den Brennstoffinjektionsanordnungen gemäß den 8 und 9 geeignet ist;
    • 11 eine vergrößerte geschnittene Seitenansicht eines Abschnitts aus den 8 oder 9 unter Veranschaulichung des Injektorblattes und einer Leitrohranordnung;
    • 12 eine schematische Darstellung einer Vorderansicht einer inneren Fläche eines Leitrohrs einer der Leitrohranordnungen, wie sie in den 8, 9 und 11 veranschaulicht sind, betrachtet in eine axiale Richtung;
    • 13 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des Leitrohrs nach 12, betrachtet in eine Querrichtung;
    • 14 eine Perspektivansicht einer Leitrohrnabe, die mit der Leitrohranordnung nach 11 verwendet werden kann, betrachtet von einer oberen Fläche derselben;
    • 15 eine Perspektivansicht der Leitrohrnabe nach 14, betrachtet von einer unteren Fläche derselben; und
    • 16 eine schematische Darstellung einer Vorderansicht einer inneren Fläche eines modifizierten Leitrohrs, wie es mit einer der Leitrohranordnungen gemäß den 8, 9 und 11 verwendet werden kann, wobei das Leitrohr in einer axialen Richtung betrachtet wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende detaillierte Beschreibung veranschaulicht verschiedene Brennstoffinjektionsanordnungen zur axialen Brennstoffstufung (AFS, axial fuel staging), ihre Komponententeile und AFS-Systeme, die diese enthalten, als ein Beispiel und nicht als Beschränkung. Die Beschreibung befähigt einen Durchschnittfachmann auf dem Gebiet, das axiale Brennstoffstufungssystem für Gasturbinenbrennkammern zu schaffen und zu verwenden. Die Beschreibung stellt verschiedene Ausführungsformen der Brennstoffinjektionsanordnungen, einschließlich derjenigen, von denen derzeit angenommen wird, dass sie die besten Ausführungsformen zur Herstellung und Verwendung der Brennstoffinjektionsanordnungen sind, bereit. Das vorliegende axiale Brennstoffstufungssystem ist hierin beschrieben, wie es mit einer Brennkammer einer Hochleistungs-Gasturbinenanordnung verbunden ist. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Brennstoffinjektionsanordnungen und/oder das axiale Brennstoffstufungssystem, wie sie hierin beschrieben sind, eine allgemeine Anwendung auf einen weiten Bereich von Systemen in vielfältigen anderen Gebieten außer der elektrischen Energieerzeugung allgemein anwendbar sind.
  • In dem hierin verwendeten Sinne, können die Ausdrücke „erste“, „zweite“ und „dritte“ in austauschbarer Weise dazu verwendet werden, eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sie sind nicht dazu bestimmt, eine Position oder Wichtigkeit der einzelnen Komponenten anzugeben. Die Ausdrücke „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ beziehen sich auf die relative Richtung in Bezug auf eine Fluidströmung in einem Fluidpfad. Z.B. bezieht sich „stromaufwärts“ auf die Richtung, von der das Fluid aus strömt, und „stromabwärts“ bezieht sich auf die Richtung, in die das Fluid strömt. Der „vordere“ Abschnitt einer Komponente ist derjenige Abschnitt, der sich am nächsten an dem Brennkammerkopfende und/oder dem Verdichter befindet, während der „hintere“ Abschnitt einer Komponente derjenige Abschnitt ist, der sich am nächsten an dem Austritt der Brennkammer und/oder dem Turbinenabschnitt befindet.
  • In dem hierin verwendeten Sinne bezieht sich der Ausdruck „Radius“ (oder irgendeine Variante hiervon) auf eine Dimension, die sich von einer Mitte irgendeiner geeigneten Gestalt (z.B. eines Quadrates, eines Rechtecks, eines Dreiecks, etc.) nach außen erstreckt, und er ist nicht auf eine Dimension beschränkt, die sich von einer Mitte einer kreisförmigen Gestalt aus nach außen erstreckt. Ebenso bezieht sich der Ausdruck „Umfang“ (oder irgendeine Variante hiervon) in dem hierin verwendeten Sinne auf eine Dimension, die sich um eine Mitte irgendeiner geeigneten Gestalt (z.B. eines Quadrates, eines Rechtecks, eines Dreiecks, etc.) herum erstreckt, und er ist nicht auf eine Dimension beschränkt, die sich um eine Mitte einer kreisförmigen Gestalt herum erstreckt.
  • 1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm einer beispielhaften Gasturbine 1000, die verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten kann. Wie veranschaulicht, enthält die Gasturbine 1000 allgemein einen Einlassabschnitt 12, der eine Reihe von Filtern, Kühlschlangen, Feuchtigkeitsabscheidern und/oder anderen Vorrichtungen zur Reinigung oder sonstigen Konditionierung eines Arbeitsfluids (z.B. Luft) 14, das in die Gasturbine 1000 eintritt, enthalten kann. Das Arbeitsfluid 14 strömt zu einem Verdichterabschnitt, in dem ein Verdichter 16 dem Arbeitsfluid 14 zunehmend kinetische Energie verleiht, um ein verdichtetes Arbeitsfluid 18 zu erzeugen.
  • Das verdichtete Arbeitsfluid 18 wird in einer oder mehreren Brennkammern 24 mit einem gasförmigen Brennstoff 20 aus einem Zuführsystem für gasförmigen Brennstoff und/oder einem flüssigen Brennstoff (nicht gesondert veranschaulicht) von einem Zuführsystem für Flüssigbrennstoff vermischt, um ein brennbares Gemisch zu bilden. Das brennbare Gemisch wird verbrannt, um Verbrennungsgase 26 zu erzeugen, die eine hohe Temperatur, einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Verbrennungsgase 26 strömen durch eine Turbine 28 eines Turbinenabschnitts, um mechanische Arbeit zu verrichten. Z.B. enthalten der Verdichter 16 und die Turbine 28 umlaufende Schaufeln, die mit mehreren Laufscheiben verbunden sind, die gemeinsam einen gestapelten Hohlwellenrotor 30 definieren, so dass eine Drehung der Turbine 28 den Verdichter 16 antreibt, um das verdichtete Arbeitsfluid 18 zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann der gestapelte Rotor 30 die Turbine 28 mit einer Last 32, wie etwa einem Generator zur Erzeugung von Elektrizität, verbinden.
  • Abgase 34 aus der Turbine 28 strömen durch einen (nicht veranschaulichten) Auslassabschnitt, der die Turbine 28 mit einem Abgasschacht stromabwärts der Turbine 28 verbindet. Der Auslassabschnitt kann z.B. einen (nicht veranschaulichten) Abhitzedampferzeuger zur Reinigung der und Extraktion zusätzlicher Wärme aus den Abgasen 34 vor der Freisetzung in die Umgebung enthalten. Die Gasturbine 1000 kann ferner mit einer Dampfturbine gekoppelt oder strömungsmäßig verbunden sein, um ein Kombikraftwerk zu schaffen.
  • Die Brennkammern 24 können eine beliebige in der Technik bekannte Bauart einer Brennkammer sein, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine spezielle Brennkammerkonstruktion beschränkt, sofern dies nicht speziell in den Ansprüchen angegeben ist. Z.B. kann die Brennkammer 24 eine Brennkammer der Rohrbauart (die manchmal als Ringrohbauart bezeichnet wird, sein.
  • 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Brennkammer oder eines Brennrohrs 24, wie es in einem ringrohrförmigen Verbrennungssystem für eine Hochleistungsgasturbine (z.B. die in 1 veranschaulichte Gasturbine 1000) enthalten sein kann. In einem Ringrohr-Verbrennungssystem sind mehrere Brennrohre 24 (z.B. 8, 10, 12, 14 oder mehr) in einer kreisringförmigen Anordnung um den gestapelten Rotor 30 herum positioniert, der den Verdichter 16 mit der Turbine 28 verbindet. Die Turbine 28 kann mit einem Generator 32 zur Erzeugung elektrischer Energie betriebsmäßig (z.B. über die Welle 30) verbunden sein.
  • In 2 enthält das Brennrohr 24 ein Flammrohr 40 und ein Übergangsstück 50, die Verbrennungsgase 26 aufnehmen und zu der Turbine 28 befördern. Das Flammrohr 40 kann einen ersten zylindrischen Flammrohrabschnitt 42, der ein Venturirohr 44 enthält, einen zweiten zylindrischen Abschnitt 46 stromabwärts des Venturirohrs 44 und einen dritten zylindrischen Abschnitt 48 stromabwärts des zweiten zylindrischen Abschnitts 46. Der erste zylindrische Flammrohrabschnitt 42 weist einen ersten Querschnittsdurchmesser auf, der kleiner ist als ein zweiter Querschnittsdurchmesser des zweiten zylindrischen Flammrohrabschnitts 46. Zwischen dem ersten zylindrischen Flammrohrabschnitt 42 und dem zweiten zylindrischen Flammrohrabschnitt 46 ist ein divergierender Abschnitt 45 angeordnet, um die jeweiligen Abschnitte 42, 46, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen, miteinander zu verbinden. Der dritte zylindrische Flammrohrabschnitt 48 weist einen dritten Querschnittsdurchmesser auf, der kleiner ist als der zweite Querschnittsdurchmesser des zweiten zylindrischen Flammrohrabschnitts 46. Zwischen dem zweiten zylindrischen Flammrohrabschnitt 46 und dem dritten zylindrischen Flammrohrabschnitt 48 ist ein konvergierender Abschnitt 47 angeordnet, um die jeweiligen Abschnitte 46, 48, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen, miteinander zu verbinden.
  • In einer Ausführungsform können der erste Querschnittsdurchmesser des ersten zylindrischen Flammrohrabschnitts 42 und der dritte Querschnittsdurchmesser des dritten zylindrischen Flammrohrabschnitts 46 gleich sein. In einer anderen Ausführungsform können sich der erste Querschnittsdurchmesser und der dritte Querschnittsdurchmesser voneinander unterscheiden, wobei sowohl der erste Querschnittsdurchmesser als auch der dritte Querschnittsdurchmesser kleiner als der zweite Querschnittsdurchmesser sind.
  • Das Venturirohr 44 des ersten zylindrischen Flammrohrabschnitts 42 beschleunigt die Strömung der Gase, die in eine primäre Verbrennungszone 90 einströmen. Der zweite zylindrische Flammrohrabschnitt 46 verlangsamt die Verbrennungsgase und sorgt für eine hinreichende Verweilzeit, um Emissionen von Kohlenmonoxid und anderen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs, volatile organic compounds) zu reduzieren. Die Verweilzeitdauer der Verbrennungsgase in dem zweiten zylindrischen Flammrohrabschnitt 46 ist länger als die Verweilzeitdauer der Verbrennungsgase in dem ersten zylindrischen Flammrohrabschnitt 42 und dem Venturirohr 44.
  • Wie in 2 veranschaulicht, können der erste zylindrische Flammrohrabschnitt 42 und das Venturirohr 44 ein stromaufwärtiges Segment des Flammrohrs 40 definieren, während der divergierende Abschnitt 45, der zweite zylindrische Flammrohrabschnitt 46, der konvergierende Abschnitt 47 und der dritte zylindrische Flammrohrabschnitt 48 ein stromabwärtiges Segment des Flammrohrs 40, gesondert von dem stromaufwärtigen Segment, definieren können. (Das strombwärtige Segment ist gesondert in 4 veranschaulicht.) In einem derartigen Fall kann eine Dichtung (z.B. eine Hula-Dichtung, nicht veranschaulicht) zwischen dem stromaufwärtigen Segment des Flammrohrs 40 und dem stromabwärtigen Segment des Flammrohrs 40 angeordnet sein.
  • Alternativ sind, wie in 5 veranschaulicht, die jeweiligen Abschnitte des Flammrohrs 40 als eine Einzeleinheit miteinander verbunden, womit die Hula-Dichtung zwischen dem ersten zylindrischen Flammrohrabschnitt 42 und den divergierenden Abschnitt 45 des zweiten zylindrischen Flammrohrabschnitts 46 beseitigt wird und dadurch Luftleckagen verhindert werden, die ansonsten durch die Dichtung hindurch auftreten könnten. Da die anderen Elemente der 5 unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben sind, muss ihre Beschreibung hier nicht wiederholt werden.
  • Unabhängig davon, ob das Flammrohr 40 mehrere Stücke enthält (wie in den 2-4 veranschaulicht) oder als eine integrierte Einheit ausgebildet ist (wie in 5), bildet das Flammrohr 40 einen kontinuierlichen Strömungspfad von dem ersten zylindrischen Flammrohrabschnitt 42 und dem Venturirohr 44 aus, durch den divergierenden Abschnitt 45, den zweiten zylindrischen Flammrohrabschnitt 46 und den konvergierenden Abschnitt 47 und durch den dritten zylindrischen Flammrohrabschnitt 48 hindurch. Die Verbrennungsprodukte 46 werden durch das Flammrohr 40 hindurch und in ein durch das Übergangsstück 50 definiertes Volumen hinein befördert, das die Verbrennungsprodukte 26 zu der Turbine 28 leitet. Eine Dichtung (z.B. eine Hula-Dichtung 49, wie in den 4 und 5 veranschaulicht) ist zwischen dem Flammrohr 40 und dem Übergangsstück 50 positioniert.
  • Alternativ kann das Flammrohr 40 die Konstruktion eine vereinigten Körpers (oder „einteiligen Körpers“) aufweisen, in dem der zylindrische Abschnitt 48 mit dem Übergangsstück 50 integriert ist. Somit soll jede Beschreibung des Flammrohrs 40 hierin sowohl herkömmliche Verbrennungssysteme mit einem Flammrohr und einem gesonderten Übergangsstück (wie veranschaulicht) als auch diejenigen Verbrennungssystem umfassen, die ein Flammrohr mit einem einteiligen Körper aufweisen, sofern der Kontext nicht was anderes vorgibt. Außerdem ist die vorliegende Offenbarung ebenso auf diejenigen Verbrennungssysteme anwendbar, in denen das Flammrohr und das Übergangsstück gesonderte Komponenten sind, in denen jedoch das Übergangsstück und der Leitapparat der ersten Stufe der Turbine zu einer Einzeleinheit integriert sind, die manchmal als eine „Übergangsdüse“ oder ein „integriertes Austrittsstück“ bezeichnet wird.
  • Bezug nehmend auf sowohl 2 als auch 5 enthält ein axiales Brenstoffstufungs(AFS, axial fuel staging)-System 200 eine Anzahl von Brennstoffinjektionsanordnungen 210, die längs des Umfangs um den zweiten Abschnitt 46 des Flammrohrs 40 herum angeordnet sind, wie hierin weiter erläutert. Das Flammrohr 40 ist längs des Umfangs von einer Außenhülse 60 umgeben, die manchmal als eine Strömungshülse bezeichnet wird und die sich in Axialrichtung entlang eines beträchtlichen Abschnitts des Flammrohrs 40 entspricht. Die Außenhülse 60 ist in Radialrichtung nach außen von dem Flammrohr 40 beabstandet, um einen Ringraum 65 zwischen dem Flammrohr 40 und der Außenhülse 60 zu definieren. Luft 18 strömt durch den Ringraum 65 von einem hinteren Ende der Außenhülse 60 aus zu einem Kopfendabschnitt 70 hin, wodurch das Flammrohr 40 gekühlt wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann eine gesonderte (nicht veranschaulichte) Prallhülse radial außen von dem Übergangsstück 50 positioniert sein, um das Übergangsstück 50 zu kühlen. Falls eine Prallhülse verwendet wird, ist der Ringraum, der zwischen dem Übergangsstück 50 und der Prallhülse definiert ist, mit dem Ringraum 65 ausgerichtet und strömungsmäßig verbunden, wodurch ein kontinuierlicher Kühlluftströmungspfad entlang der gesamten axialen Länge des Brennrohrs 24 gebildet ist.
  • Der Kopfendabschnitt 70 des Brennrohrs 24 enthält eine oder mehrere Brennstoffdüsen 80, 82 und eine Endabdeckung 74 an einem vorderen Ende des Brennrohrs 24. Jede Brennstoffdüse 80, 82 weist einen Brennstoffeinlass an einem stromaufwärtigen Ende (oder Einlassende) auf. Die Brennstoffeinlässe können durch die Endabdeckung 74 hindurch gebildet sein, und die Brennstoffdüsen 80, 82 selbst können an der Endabdeckung 74 montiert sein. Die Brennstoffdüsen 80, die als primäre Brennstoffdüsen beschrieben sein können, sind radial außen von einer zentralen Brennstoffdüse 82 angeordnet und umgeben die zentrale Brennstoffdüse 82, die eine mit einer Längsachse der Brennkammer 24 gemeinsame Mittellinie besitzt und die sich in Axialrichtung stromabwärts der Brennstoffdüse 80 erstreckt. Das hintere Ende (Auslassende) der zentralen Brennstoffdüse 82 befindet sich in der Nähe des Venturirohrs 44 des ersten zylindrischen Flammrohrabschnitts 42. Die hinteren Enden der primären Brennstoffdüsen 80 können sich bis zu oder durch Öffnungen in einer (nicht veranschaulichten) Kappenanordnung erstrecken, die eine primäre Verbrennungszone 90 begrenzt.
  • In dem Vormisch-Betriebsmodus werden Brennstoff und Luft durch die Brennstoffdüsen 80 in ein Volumen eingeleitet, das durch den ersten zylindrischen Flammrohrabschnitt 42 definiert ist. Die Luft strömt durch Mischlöcher 41 hindurch, um eine Vermischung des Brennstoffs mit der Luft zu unterstützen, die durch das Venturirohr 44 in die primäre Verbrennungszone 90 hinein beschleunigt werden. Ebenso werden Brennstoff und Luft durch die Brennstoffdüse 82 in die primäre Verbrennungszone 90 an dem Venturirohr 44 oder geringfügig stromabwärts von diesem eingeleitet, wo der Brennstoff und die Luft verbrannt werden, um Verbrennungsprodukte zu bilden.
  • Der Kopfendabschnitt 70 des Brennrohrs 24 ist wenigstens teilweise von einem vorderen Gehäuse 130 umgeben, das radial außen von der Außenhülse 60 angeordnet ist, so dass ein Ringraum 135 zwischen der Außenhülse 60 und dem vorderen Gehäuse 130 definiert ist. Das vordere Gehäuse 130 kann einen stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt 132 und einen stromabwärtigen Gehäuseabschnitt 134 aufweisen, der mit einem Verdichterauslassgehäuseflansch 144 eines Verdichterauslassgehäuses 140 mechanisch gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen, wie in 2 veranschaulicht, kann ein Verbindungsflansch 148 zwischen dem vorderen Gehäuse 130 und dem Verdichterauslassgehäuseflansch 144 des Verdichterauslassgehäuses 140 angeordnet sein.
  • Der stromabwärtige Gehäuseabschnitt 134 kann eine gesonderte Komponente sein, die mit einem Verbindungsflansch 133 des stromaufwärtigen Gehäuseabschnitts 132 und mit dem Verdichterauslassgehäuseflansch 144 des Verdichterauslassgehäuses 140 (z.B. über den Verbindungsflansch 148) verschraubt ist, wie in 2 veranschaulicht. Alternativ kann der stromabwärtige Gehäuseabschnitt 134 mit dem stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt 132 als ein einstückiges vorderes Gehäuse 130 integral ausgebildet sein, wie in 5 veranschaulicht.
  • In Fällen, in denen es erwünscht ist, bestehende Brennkammern 24 mit dem vorliegenden axialen Brennstoffstufungssystem 200 nachzurüsten, kann es kosteneffizient und zweckmäßig sein, das bestehende vordere Gehäuse 130 als den stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt 132 zu nutzen und die Länge des vorderen Gehäuses 130 durch die Hinzunahme eines gesonderten stromabwärtigen Gehäuseabschnitts 134 zu verlängern, der zwischen dem stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt 132 und dem Verdichterauslassgehäuse 140 angeschraubt wird.
  • Das (in 2 veranschaulichte) Verdichterauslassgehäuse 140 ist mit einem Auslass des (in 1 veranschaulichten) Verdichters 16 strömungsmäßig verbunden und definiert ein Druckluftplenum 142, das wenigstens einen Abschnitt des Brennrohrs 24 umgibt. Luft 18 strömt aus dem Verdichterauslassgehäuse 140 durch das hintere Ende der Außenhülse 60 hindurch und in den Ringraum 65 hinein, wie dies durch die Pfeile in den 2 und 5 angezeigt ist, wodurch das Flammrohr 40 gekühlt wird.
  • Bezug nehmend auf beide Brennrohre 24, die in den 2 und 5 veranschaulicht sind, strömt, weil der Ringraum 65 mit dem Kopfendabschnitt 70 strömungsmäßig gekoppelt ist, die Luftströmung 18 von dem hinteren Ende der Außenhülse 60 aus stromaufwärts zu dem Kopfendabschnitt 70, in dem ein erster Teil der Luftströmung 18 radial nach innen gerichtet wird und seine Richtung ändert, um in die Brennstoffdüsen 80, 82 einzutreten. Ein zweiter Teil der Luft 18, die durch den Ringraum 65 strömt, wird radial nach außen in den Ringraum 135 hinein gerichtet, der zwischen der Außenhülse 60 und dem vorderen Gehäuse 130 definiert ist, und ändert seine Richtung, um in das axiale Brennstoffstufungssystem 200 einzutreten, wie dies nachstehend weiter beschrieben ist. Ein dritter, relativ kleiner Anteil der Luft 18 wird durch die Mischlöcher 41 geleitet, wie vorstehend erläutert.
  • Wie vorstehend beschrieben, leiten die Brennstoffdüsen 80, 82 einen Brennstoff und Luft in eine primäre Verbrennungszone 90 an einem vorderen Ende des Flammrohrs 40 ein, wo der Brennstoff und die Luft verbrannt werden. In einer Ausführungsform werden der Brennstoff und die Luft innerhalb der Brennstoffdüsen 80, 82 (z.B. in einer Vormisch-Brennstoffdüse) miteinander vermischt. In anderen Ausführungsformen können der Brennstoff und Luft in die primäre Verbrennungszone 90 gesondert eingeleitet und innerhalb der primären Verbrennungszone 90 vermischt werden (wie dies z.B. bei einer Diffusionsdüse erfolgen kann). Alternativ können die Brennstoffdüsen 80 und/oder 82 eingerichtet sein, um je nach der Betriebsbedingung der Brennkammer 24 in einem Diffusionsmodus und einem Vormischmodus zu arbeiten. Eine Bezugnahme hierin auf ein „erstes Brennstoff-Luft-Gemisch“ sollte derart interpretiert werden, dass es sowohl ein Vormisch-Brennstoff-Luft-Gemisch als auch ein Diffusions-Brennstoff-Luft-Gemisch beschreibt, von denen jedes durch die Brennstoffdüsen 80, 82 erzeugt werden kann. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf eine spezielle Art oder Anordnung von Brennstoffdüsen 80, 82 in dem Kopfendabschnitt 70 beschränkt. Ferner ist es nicht erforderlich, dass die zentrale Brennstoffdüse 82 sich axial stromabwärts der primären Brennstoffdüsen 80 erstreckt.
  • Die Verbrennungsgase aus der primären Verbrennungszone 90 strömen stromabwärts durch das Flammrohr 40 und das Übergangsstück 50 hindurch zu einem hinteren Ende 52 des Brennrohrs 24 hin. Wie in 2 veranschaulicht, ist das hintere Ende 52 des Brennrohrs 24 durch einen hinteren Rahmen des Übergangsstücks 50 repräsentiert, das mit dem Turbinenabschnitt 28 verbunden ist. Das Übergangsstück 50 ist ein sich verjüngender Abschnitt, der die Strömung der Verbrennungsprodukte aus dem Flammrohr 40 beschleunigt, während die Verbrennungsprodukte 26 in den Turbinenabschnitt 28 eintreten.
  • Das axiale Brennstoffstufungsinjektionssystem 200 enthält eine oder mehrere Brennstoffinjektionsanordnungen 210 (die im Einzelnen nachstehend erläutert sind), die einen Brennstoff und Luft in eine sekundäre Verbrennungszone 100 einleiten, in der der Brennstoff und die Luft durch die Verbrennungsgase der primären Zone gezündet werden, um einen kombinierten Verbrennungsgasproduktstrom 26 zu bilden. Ein derartiges Verbrennungssystem mit axial getrennten Verbrennungszonen ist derart beschrieben, dass es ein „axiales Brennstoffstufungs“(AFS)-System aufweist, und die stromabwärtigen Injektionsanordnungen 210 können hierin als „Injektionsanordnungen“, „Brennstoffinjektionsanordnungen“ oder „AFS-Injektionsanordnungen“ bezeichnet werden. Jede Brennstoffinjektionsanordnung 210 enthält eine Injektoreinheit 110 (die an dem vorderen Gehäuse 130 montiert ist) und eine Leitrohranordnung 160 (die an dem Flammrohr montiert ist), die mechanisch unabhängig voneinander sind, jedoch als eine einzige Einheit funktionieren. Die Injektoreinheit 110 liefert Brennstoff in die Leitrohranordnung 160, in der der Brennstoff sich mit Luft vermischt.
  • Das vordere Gehäuse 130 (insbesondere der stromabwärtige Abschnitt 136 des vorderen Gehäuses 130) enthält wenigstens einen Injektoranschluss 290 (der in 11 veranschaulicht ist), durch den eine jeweilige Injektoreinheit 110 einer AFS-Injektionsanordnung 210 eingebaut wird. Die Außenhülse 60 enthält wenigstens eine Injektoröffnung 62 (die am deutlichsten in den 8 und 9 veranschaulicht ist), die in Axialrichtung und in Umfangsrichtung mit dem Injektoranschluss 290 ausgerichtet ist und durch die die jeweilige Injektoreinheit 110 der AFS-Injektionsanordnung 210 positioniert ist. Ebenso enthält das Flammrohr 40 wenigstens eine zugehörige Leitrohröffnung 146, durch die die jeweilige Leitrohranordnung 160 der AFS-Injektionsanordnung 210 positioniert ist, wie am deutlichsten in den 8, 9 und 11 veranschaulicht. Die eine oder mehreren Injektionsanordnungen 210 sind durch den stromabwärtigen Abschnitt 134 des vorderen Gehäuses 130, die Außenhülse 60 und das Flammrohr 40 (speziell den zweiten zylindrischen Flammrohrabschnitt 46) hindurch angeordnet.
  • Die Injektionsanordnungen 210 injizieren ein zweites Brennstoff/Luft-Gemisch in das Flammrohr 40 hinein in eine Richtung quer zu der Mittellinie und/oder der Strömung der Verbrennungsprodukte aus der primären Verbrennungszone 90, wodurch die sekundäre Verbrennungszone 100 gebildet wird. Die kombinierten heißen Gase 26 aus der primären und der sekundären Verbrennungszone 90, 100 strömen stromabwärts durch das hintere Ende 52 des Brennrohrs 24 hindurch und in den Turbinenabschnitt 28 hinein (1), wo die Verbrennungsgase 26 expandiert werden, um die Turbine 28 anzutreiben.
  • In der in den 2 bis 4 veranschaulichten Ausführungsformen ist der stromabwärtige Gehäuseabschnitt 134 eine gesonderte Komponente, die für einen Einbau zwischen dem stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt 132 und dem Verdichterauslassgehäuse 140 eingerichtet ist. Der stromabwärtige Gehäuseabschnitt 134 enthält einen zylindrischen Abschnitt 136, der zentral angeordnet ist und sich in Axialrichtung zwischen einem stromaufwärtigen Flansch 137 und einem stromabwärtigen Flansch 138 erstreckt. Der stromaufwärtige Flansch 137 und der stromabwärtige Flansch 138 definieren Montagelöcher durch sie hindurch zur Verbindung mit komplementären Flanschen des stromaufwärtigen Gehäuseabschnitts 134 (das heißt dem Flansch 133) bzw. des Verdichterauslassgehäuses 140 (das heißt dem Flansch 148 oder dem Flansch 144). Eine derartige Konfiguration mit einem gesonderten stromabwärtigen Gehäuseabschnitt 132 kann in Nachrüstinstallationen nützlich sein, in denen ein bestehendes Brennrohr 24 aufgerüstet wird, um das vorliegende axiale Brennstoffstufungssystem 200 aufzunehmen, obwohl diese Konfiguration auch bei neu gebauten Brennrohren 24 verwendet werden kann.
  • Wie in 5 veranschaulicht, ist das vordere Gehäuse 130 ein einteiliges Stück, das einen stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt 132, der sich benachbart zu dem Kopfendabschnitt 70 befindet, und einen stromabwärtigen Gehäuseabschnitt 134 aufweist, der sich benachbart zu dem Verdichterauslassgehäuse 140 befindet. In dieser Ausführungsform können der stromaufwärtige Flansch 137 und der Verbindungsflansch 133 weggelassen werden. Eine derartige Konfiguration kann z.B. für neu gebaute Brennrohre 24 nützlich sein, um die Teileanzahl und Installationszeit zu reduzieren.
  • Die AFS-Injektionsanordnungen 210 werden durch den zylindrischen Abschnitt 136 des stromabwärtigen Gehäuseabschnitts 134 hindurch installiert, wobei die Montage mittels eines Montageflansches 242 der Injektoreinheit 110 (wie in 8 veranschaulicht) bewerkstelligt wird. Ein Brennstoff für jede AFS-Injektionsanordnung 210 wird von einer Brennstoffzufuhrleitung (nicht veranschaulicht), die für das Brennrohr 24 und das vordere Gehäuse 130 extern ist, über einen Hauptbrennstoffeinlass 212 zugeführt, der in einer der AFS-Injektionsanordnungen 210 enthalten ist. Um die Beschreibung zu erleichtern, wird auf die AFS-Injektionsanordnung 210, die den Hauptbrennstoffeinlass 212 aufweist, hierin als die AFS-Injektionsanordnung 210A Bezug genommen.
  • Wie deutlicher in den 3 und 6 veranschaulicht, ist der Hauptbrennstoffeinlass 212 mit einer ersten Brennstoffzuführleitung 214, die mit einer zweiten AFS-Injektionsanordnung 210B gekoppelt ist, die in Umfangsrichtung in einer ersten Richtung von der ersten AFS-Injektionsanordnung 210A mit dem Hauptbrennstoffeinlass 212 angeordnet ist, und einer zweiten Brennstoffzuführleitung 216 strömungsmäßig verbunden, die mit einer dritten AFS-Injektionsanordnung 210C gekoppelt ist, die in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung von der ersten AFS-Injektionsanordnung 210A mit dem Hauptbrennstoffeinlass 212 angeordnet ist. Die Brennstoffzuführleitungen 214, 216 können starre Rohre sein (wie veranschaulicht), die radial außen von dem stromaufwärtigen Flansch 137 und/oder dem vorderen Gehäuse 130 angeordnet sind.
  • Weil die (nicht veranschaulichte) Brennstoffzuführleitung, die den Hauptbrennstoffeinlass 212 versorgt, und die Brennstoffzuführleitungen 214, 216 zwischen den Injektionsanordnungen 210A, 210B und 210C sich außerhalb des Brennrohrs 24 befinden (das heißt radial außen von dem vorderen Gehäuse 130 angeordnet sind), wird eine Inspektion zur Leckageerkennung oder hinsichtlich einer anderen Beschädigung erleichtert. Außerdem wird die Möglichkeit von Brennstoffleckagen innerhalb des Hochdruckplenums 142 des Verdichterauslassgehäuses 140 deutlich reduziert. Infolgedessen werden jegliche Brennstoffleckagen, die auftreten können, in die Atmosphäre abgeführt, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Zündung innerhalb des Hochdruckplenums 142 beseitigt wird.
  • Außerdem ist das vorliegende AFS-System 200, weil das mit der unerwünschten Brennstoffleckage verbundene Zündrisiko durch die externen Brennstoffleitungen minimiert ist, für einen weiten Bereich von Brennstoffen, einschließlich hochreaktiver Brennstoffe, gut geeignet. Durch thermische Isolierung der Brennstoffzuführleitungen 214, 216 außerhalb des vorderen Gehäuses 130 wird die Abweichung bei der Brennstoffheizung (d.h. Druckverhältnis und modifizierter Wobbe-Index) reduziert. Weil die zu den Brennstoffzuführleitungen 214, 216 übertragene Wärme reduziert ist, wird auch die Verkokungsneigung innerhalb der Brennstoffzuführleitungen 214, 216, wenn mit Flüssigbrennstoff gearbeitet wird, verringert.
  • Es können stattdessen andere Verfahren zur Zuführung von Brennstoff zu den AFS-Injektionsanordnungen 210 verwendet werden, einschließlich einer Zuführung von Brennstoff von einem Ringverteiler oder von einzelnen Brennstoffzuführleitungen aus, die sich von einer Quelle außerhalb des vorderen Gehäuses 130 und/oder des Verdichterauslassgehäuses 140 aus erstrecken. Es sollte ferner verstanden werden, dass mehr als drei Injektionsanordnungen 210 verwendet werden können, einschließlich einer beispielhaften Ausführungsform mit vier Injektionsanordnungen 210, wie in 7 veranschaulicht. Indem die Brennstoffverbindungen radial außen von dem Brennrohr 24 vorhanden sind, ist die Notwendigkeit für Brennstoffdichtungen innerhalb der Brennkammereinhausung beseitigt, womit die Zuverlässigkeit verbessert wird und die Inspektion und Instandhaltung erleichtert werden.
  • Die Brennstoffinjektionsanordnung 210A, wie sie in den 4 bis 6 und 8 veranschaulicht ist, enthält eine Injektoreinheit 110A und eine Leitrohranordnung 160. Die Injektoreinheit 110A enthält den Hauptbrennstoffeinlass 212, der Brennstoff in einen Halsbereich 213 leitet. Der Halsbereich 213 ist mit einer Zwischenleitung 219 (die in 6 veranschaulicht ist) strömungsmäßig verbunden, die quer zu dem Halsbereich 213 ausgerichtet ist. Die Zwischenleitung 219 definiert ein Paar gegenüberliegend angeordneter Brennstoffdurchgänge 215, 217, die mit L-förmigen (90°-) Brennstoffleitungsanschlussstücken 220, 222 strömungsmäßig verbunden sind. Der Halsbereich 213 liefert ferner Brennstoff zu einem Brennstoffplenum 230, der im Inneren eines Körpers 240 der Brennstoffinjektionsanordnung 210 angeordnet ist. Von dem Brennstoffplenum 230 aus strömt Brennstoff in ein Injektorblatt 250 hinein, das eine Anzahl von Brennstoffinjektionsöffnungen 252 (und optional 254) enthält, die den Brennstoff in ein Leitrohr 260 hinein liefern, wo der Brennstoff sich mit Luft vermischt.
  • Wie am besten in 3 zu ersehen, ist ein Schenkel jedes der L-förmigen Brennstoffleitungsanschlussstücke 220, 222 senkrecht zu den Brennstoffdurchgängen 215, 217 angeordnet und in Richtung des vorderen Endes 70 der Brennkammer 22 ausgerichtet. Ein erstes Ende 224 der Brennstoffzuführleitung 214 ist mit dem Brennstoffleitungsanschlussstück 220 verbunden. Ebenso ist ein erstes Ende 226 der Brennstoffzuführleitung 216 mit dem Brennstoffleitungsanschlussstück 222 verbunden.
  • Wie ferner in 3 veranschaulicht, weisen die Brennstoffzuführleitungen 214, 216 die Gestalt einer eckigen Klammer oder eine Block-C-Gestalt auf. Erste Enden 224, 226 der Brennstoffzuführleitungen 214, 216 sind zu einem mittleren Abschnitt der Brennstoffzuführleitungen 214, 216 im Wesentlichen orthogonal, so dass die mittleren Abschnitte zu den Injektionsanordnungen 210 axial versetzt sind. Die Brennstoffzuführleitung 214 weist ein zweites Ende 234 auf, das zu dem mittleren Abschnitt orthogonal und in derselben Richtung wie das erste Ende 224 (d.h. sich zu dem hinteren Ende der Brennkammer hin öffnend) ausgerichtet ist, wobei das zweite Ende 234 mit einem einzelnen L-förmigen Anschlussstück 320 der Brennstoffinjektionsanordnung 210B verbunden ist. Ebenso weist die Brennstoffzuführleitung 216, obwohl dies in den Figuren nicht veranschaulicht ist, ein zweites Ende auf, das zu dem mittleren Abschnitt orthogonal und in derselben Richtung wie das erste Ende 226 (d.h. sich zu dem hinteren Ende der Brennkammer hin öffnend) ausgerichtet ist, wobei das zweite Ende (wie in 6 veranschaulicht) mit einem L-förmigen Anschlussstück 322 der Brennstoffinjektionsanordnung 210C verbunden ist.
  • Die Konfiguration der vier Brennstoffinjektionsanordnungen 210, wie in 7 veranschaulicht, verwendet ein zweites L-förmiges Anschlussstück 324, das dem ersten L-förmigen Anschlussstück 322 der Brennstoffinjektionsanordnung 210C gegenüberliegt. Das erste Anschlussstück 322 und das zweite Anschlussstück 324 können unter Verwendung einer Zwischenleitung 319 in einer ähnlichen Weise wie diejenige, die für die Brennstoffinjektionsanordnung 210A verwendet wird, voneinander beabstandet sein. Eine dritte Brennstoffzuführleitung 218 ist an einem ersten Ende mit der zweiten Leitung 324 und an einem zweiten Ende mit einem Brennstoffleitungsanschlussstück 326 einer vierten Brennstoffinjektionsanordnung 210D verbunden. Obwohl die Injektionsanordnungen 210A, 210B, 210C und 210D veranschaulicht sind, wie sie in der Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind, ist eine derartige Beabstandung nicht erforderlich.
  • Außerdem können in jeder der Konfiguration, die in 6 mit drei Brennstoffinjektionsanordnungen 210 veranschaulicht ist, oder der Konfiguration, die in 7 mit vier Brennstoffinjektionsanordnungen veranschaulicht ist, die Brennstoffinjektionsanordnungen 210 in derselben axialen Ebene (wie veranschaulicht) oder in unterschiedlichen axialen Ebenen ausgerichtet sein (wobei Anpassungen an der Gestalt und/oder den Dimensionen der Brennstoffzuführleitungen 214, 216 und/oder 218 nach Bedarf vorgenommen werden, um Fluidverbindungen zwischen den Brennstoffinjektionsanordnungen 210 zu erreichen). Es sollte erkannt werden, dass eine beliebige Anzahl von Brennstoffinjektionsanordnungen 210 in dem vorliegenden axialen Brennstoffstufungssystem 200 verwendet werden kann und die Offenbarung nicht auf die hierin veranschaulichten speziellen Konfigurationen beschränkt ist.
  • Wie in den 6 und 7 zu beobachten ist, weist jedes Leitrohr 260 einen Auslass 264 auf, der in Bezug auf einen Einlass des Leitrohrs 260 unter einem Winkel verläuft, wie in größeren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die 12 und 13 nachstehend erläutert. Die gewinkelten Auslässe 264 ergeben eine bessere Vorhersehbarkeit der Strömungsrichtung, die durch die Brennstoffinjektionsanordnungen 210 erzeugt wird, und der Winkel des Auslasses 264 jedes Leitrohrs 260 ist in derselben Richtung ausgerichtet. Wie in den Figuren zu ersehen, ragt das Leitrohr 260 radial innen von dem Flammrohr 46 vor, so dass es sich folglich in das Strömungsfeld der Verbrennungsprodukte hinein erstreckt, die von der primären Verbrennungszone 90 stammen, um weitere Verbrennungsprodukte in der sekundären Verbrennungszone 100 zu erzeugen.
  • 8 und 9 veranschaulichen die Brennstoffinjektionsanordnungen 210A bzw. 210B. Wie in den 6 und 8 veranschaulicht, enthält die Injektoreinheit 110A den Hauptbrennstoffeinlass 212, der einen Brennstoff in den Halsbereich 213 der Injektoreinheit 110A leitet. Der Halsbereich 213 ist mit einer Zwischenleitung bzw. einem Zwischenkanal 219 strömungsmäßig verbunden, die bzw. der die gegenüberliegend angeordneten Brennstoffdurchgänge 215, 217 enthält, die mit den L-förmigen Brennstoffleitungsanschlussstücken 220, 222 verbunden sind. Der Halsbereich 213 liefert ferner den Brennstoff zu dem Brennstoffplenum 230, der im Inneren des Körpers 240 der Brennstoffinjektionsanordnung 210A angeordnet ist. Das Brennstoffplenum 230 erstreckt sich in das Injektorblatt 250 hinein, das die Brennstoffinjektionsöffnungen 252 enthält, die den Brennstoff in das Leitrohr 260 hinein liefern, wo der Brennstoff sich mit Luft vermischt.
  • Wie in 6 veranschaulicht, ist die erste Brennstoffzuführleitung 214 mit dem Brennstoffleitungsanschlussstück 220 gekoppelt und liefert Brennstoff aus dem Brennstoffdurchgang 215 zu einer zweiten Brennstoffinjektionsanordnung 210B. Wie in 9 veranschaulicht, enthält die Brennstoffinjektionsanordnung 210B ein Brennstoffleitungsanschlussstück 320, das die erste Brennstoffzuführleitung 214 aufnimmt (nicht veranschaulicht). Von dem Brennstoffleitungsanschlussstück 320 aus strömt ein Brennstoff durch einen Halsbereich 313 und einen Körper 340 der Injektoreinheit 110B zu dem Injektorblatt 250. Der Körper 340 enthält einen Montageflansch 342, um die Montage an dem stromabwärtigen Ende 136 des vorderen Gehäuses 130 zu unterstützen.
  • Wie in den 8 bis 10 veranschaulicht, enthält das Injektorblatt 250 eine Anzahl (z.B. vier) Brennstoffinjektionsöffnungen 252, die an einer oder mehreren Flächen 251, 253 von diesem angeordnet sind. Eine gleiche Anzahl (z.B. vier) von Brennstoffinjektionsöffnungen kann auf gegenüberliegenden Flächen 251, 253 des Injektorblattes 250 angeordnet sein. Es kann eine andere Anzahl von Brennstoffinjektionsöffnungen 252 an einer oder beiden Flächen verwendet werden, und die Brennstoffinjektionsöffnungen 252 können in einer einzigen Ebene (wie veranschaulicht) oder in zwei oder mehreren Ebenen angeordnet sein. Die Brennstofföffnungen 252 an einer ersten Fläche 251 können mit den Brennstofföffnungen 252 an einer zweiten Fläche 253 ausgerichtet oder zu diesen gestapelt (versetzt) sein.
  • Zusätzlich kann eine oder können mehrere Brennstoffinjektionsöffnungen 254 durch einen ersten Rand 256 und/oder einen zweiten Rand 258 des Injektorblattes 250 hindurch ausgebildet sein. Der erste Rand 256 kann als eine Vorderkante relativ zu einer Strömung der Luft 18 in dem Ringraum 135 angesehen werden, während der zweite Rand 258 als eine Hinterkante relativ zu der Strömung der Luft 18 in dem Ringraum 135 angesehen werden kann. Die Brennstoffinjektionsöffnungen 252, 254 sind, relativ zu der Luftströmung 18 durch das Leitrohr 260 hindurch, stromaufwärts eines Endrandes 259 des Injektorblattes 250 angeordnet.
  • Die Brennstoffinjektionsöffnungen 252, 254 können einen Brennstoff von einer einzigen Quelle oder von mehreren Quellen liefern. Die Brennstoffinjektionsöffnungen 252, 254 können gasförmigen Brennstoff oder flüssigen Brennstoff, einschließlich mit Wasser emulgierten Flüssigbrennstoffs) zuführen. Z.B. können sowohl die Brennstoffinjektionsöffnungen 252 als auch die Brennstoffinjektionsöffnungen 254 mit einer einzigen Brennstoffquelle gekoppelt sein. Alternativ können die Brennstoffinjektionsöffnungen 252 mit einer Quelle für gasförmigen Brennstoff gekoppelt sein, während die Brennstoffinjektionsöffnungen 254 mit einer Flüssigbrennstoffquelle (einschließlich einer Quelle für Flüssigbrennstoff, der mit Wasser emulgiert oder vermischt ist) gekoppelt sein können. Wenn getrennte Brennstoffquellen verwendet werden, kann die (nicht veranschaulichte) Leitung, die den Hauptbrennstoffeinlass 212 speist, eine konzentrische Rohr-in-Rohr-Leitung sein, und die Brennstoffzuführleitungen 214, 216 können Rohr-in-Rohr-Leitungen sein. Es können gesonderte Brennstoffplenen für jede Brennstoffquelle und/oder -art vorgesehen sei. Alternativ können gesonderte Brennstoffleitungen für den Flüssigbrennstoff und den gasförmigen Brennstoff verwendet werden, von denen einige oder alle für das vordere Gehäuse 130 externe Leitungen sind.
  • In einer noch weiteren (nicht gesondert dargestellten) Variante kann Flüssigbrennstoff durch den Körper des Leitrohrs 260 hindurch, über eine interne Brennstoffleitung oder eine Flüssigbrennstoffleitung, die radial durch den Injektoranschluss 290 in dem vorderen Gehäuse 130 eingeführt wird, oder eine interne Brennstoffleitung eingeleitet werden, wie dies in der der gleichen Anmelderin gehörenden US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 15/593,543 mit dem Titel „Dual Fuel Injectors and Methods of Use in Gas Turbine Combustor“ („Doppelbrennstoffinjektoren und Verfahren zur Verwendung in einer Gasturbinenbrennkammer“) beschrieben ist.
  • 11 bis 13 veranschaulichen die Leitrohranordnung 160, die das Leitrohr 260 enthält, das eine Mischkammer für Luft und Brennstoff bereitstellt, der durch das Injektorblatt 250 zugeführt wird. Das Leitrohr 260 weist eine sich im Wesentlichen verjüngende Gestalt von seinem Einlass bis zu seinem Auslass auf (wie in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert). Das Leitrohr 260 kann spanabhebend hergestellt, gegossen oder durch dreidimensionales Drucken (das manchmal als „additive Fertigung“ bezeichnet wird) hergestellt sein.
  • Ein Einlass 261 des Leitrohrs 260 ist radial innen von der Injektoröffnung 62 in der Außenhülse 60 angeordnet, und die Auslassöffnung 264 des Leitrohrs 260 ist radial innen von dem Flammrohr 46 angeordnet. Ein Luftschild 64, der eine bogenförmige Gestalt aufweist, ist an der radial inneren Fläche der Außenhülse 60 montiert, um die Luftströmung 18 um das Leitrohr 260 herum zu leiten, wodurch die Flussstörung, die ansonsten durch das Leitrohr 260 in dem Ringraum 65 hervorgerufen wird, minimiert wird.
  • Das Leitrohr 260 ist durch eine Leitrohrnabe 270 (die gesondert in den 14 und 15 veranschaulicht ist) in einer Stellung gehaltert, in der es sich durch die Leitrohröffnung 146 in dem Flammrohr 46 hindurch erstreckt. Wie z.B. in 14 veranschaulicht, weist die Leitrohrnabe 270 eine elliptische (ovale) Gestalt auf, die durch einen Außenumfang 271, eine obere Fläche 282 (in der Nähe der Außenhülse 60) und eine untere Fläche 284 (in Kontakt mit der Außenfläche des Flammrohrs 46) definiert ist. Ein Durchgang oder eine Durchlassöffnung 275 ist durch die Leitrohrnabe 270 hindurch durch einen Innenumfang 273 definiert. Der Innenumfang 273 ist etwas größer als der zugehörige Querschnittsdurchmesser des Leitrohrs 260.
  • Erneut bezugnehmend auf 11 enthält die Außenfläche des Leitrohrs 260 eine nach außen vorragende Rippe 269, die sich um wenigstens einen Abschnitt des Umgangs des Leitrohrs 260 herum erstreckt und mit einem entsprechenden Absatz 272 entlang des Innenumfangs 273 der Leitrohrnabe 270 in Eingriff steht. Die Leitrohrnabe 270 ist an dem Flammrohr 76 derart montiert, dass sich die untere Fläche 284 in der Nähe der Außenfläche des Flammrohrs 46 befindet und mit dieser in Berührung steht.
  • Wie zuvor erwähnt, ragt das Leitrohr 260 radial innen von dem Flammrohr 46 vor, so dass es sich folglich in das Strömungsfeld der Verbrennungsprodukte hinein erstreckt, die von der primären Verbrennungszone 90 stammen. Eine derartige Konfiguration unterstützt eine Vermischung des sekundären Brennstoff/Luft-Gemisches mit den Verbrennungsprodukten aus der primären Verbrennungszone 90 sowie ein Antreiben der Strömung der Verbrennungsprodukte in der sekundären Verbrennungszone 100 von dem Flammrohr 46 weg.
  • Das Leitrohr 260 wird durch die Luft 18 gekühlt, die durch den Ringraum 65 zwischen dem Flammrohr 46 und der Außenhülse 60 strömt und die durch Luftströmungsdurchgänge 274 durchsickert, die an der dem Flammrohr benachbarten unteren Fläche 274 der Leitrohrnabe 270 ausgebildet sind. Von den Luftströmungsdurchgängen 274 aus strömt die Luft 18 durch die Leitrohröffnung 146 in dem Flammrohr 46 hindurch und entlang der Außenoberfläche des Leitrohrs 260. Die Montage der Leitrohrnabe 270 wird ohne Blockade der Luftströmungsdurchgänge 274 (z.B. durch Punktschweißung) bewerkstelligt.
  • Die Luft 18 strömt in eine stromaufwärtigen Richtung (relativ zu der Strömung der Verbrennungsprodukte) durch den Ringraum 65 zwischen dem Flammrohr 46 und der Außenhülse 60 hindurch. Wie in 2 veranschaulicht, teilt sich der Luftstrom 18 an dem Kopfende 70 auf, und ein erster Anteil der Luft 18 wird zu den Brennstoffdüsen 80, 82 in dem Kopfende 70 geleitet, während ein zweiter Anteil der Luft 18 zu dem Ringraum 135 zwischen der Außenhülse 60 und dem vorderen Gehäuse 130 geleitet wird. Luft, die durch den Ringraum 135 strömt, strömt durch die Öffnung 62 in der Außenhülse 60 hindurch und in das Leitrohr 260 hinein, wo die Luft 18 sich mit einem Brennstoff aus dem Injektorblatt 250 vermischt, um ein zweites Brennstoff/Luft-Gemisch zu bilden, das aus dem Leitrohrauslass 264 heraus und in die sekundäre Verbrennungszone 100 hinein ausgegeben wird.
  • Das Injektorblatt 250 definiert eine axiale Länge L1 („axial“ in Bezug auf eine Längsachse der Brennkammer 24), und das Leitrohr 260 definiert eine axiale Länge L2, die größer ist als die axiale Länge L1. Diese Dimensionen unterstützen die Strömung der Luft um das Injektorblatt 250 herum und das Vermischen von Luft und Brennstoff aus dem Injektorblatt 250 innerhalb des Leitrohrs 260. Wie veranschaulicht, sind das Injektorblatt 250 und das Leitrohr 260 entlang einer gemeinsamen Injektionsachse 268 (wie in den 8 und 9 veranschaulicht) zentriert, wenn sich die Injektionsanordnung 210 im Betrieb befindet. Wenn die Injektionsanordnung 210 heiß ist, veranlasst die Wärmeausdehnung der Komponenten das Injektorblatt 250 und das Leitrohr 260 entlang der Injektionsachse 268 ausgerichtet zu werden. Während des Einbaus, wenn die Bauteile kalt sind, haben die Injektoreinheit 110 (einschließlich des Blattes 250) und das Leitrohr 260 jedoch Längsachsen, die zueinander und/oder zu der Injektionsachse 268 versetzt verlaufen.
  • 12 veranschaulicht ein inneres Oberflächenprofil des Leitrohrs 260, wie vorstehend beschrieben. Das innere Oberflächenprofil des Leitrohrs 260 weist eine spezielle Gestalt auf, um die Geschwindigkeit zu erreichen, die für die Strömung von Brennstoff und Luft für eine hinreichende Eindringung in die Verbrennungszone 100 erwünscht ist. Insbesondere wird die Strömung von Brennstoff und Luft in der Nähe der inneren Oberflächen des Leitrohrs 260 bis auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die höher sind als die Geschwindigkeit der turbulenten Flamme. Die elliptische Gestalt veranlasst ferner die Strömung, an den inneren Oberflächen des Leitrohrs 260 haften zu bleiben, womit ein Flammenhalten und Flammenrückschlag minimiert werden.
  • Der Einlassabschnitt 261 des Leitrohrs 260 definiert eine elliptische (ovale) Gestalt um die Injektionsachse 268 herum, die senkrecht zu der Achse 268 ausgerichtet ist und die sich in Axialrichtung entlang der Achse 268 von einer Einlassebene 267 bis zu einer Zwischenebene 262 erstreckt. Die Gestalt und Größe des Leitrohrs 260 ist an der Einlassebene 267 und der Zwischenebene 262 gleich, so dass ein einheitlicher Querschnitt durch die Leitrohrwand zwischen der Einlassebene 267 und der Zwischenebene 262 definiert ist. Die elliptischen Formen des Leitrohrs 260 an der Einlassebene 267 und der Zwischenebene 262 umfassen jeweils eine Anordnung von Punkten, die die elliptische Gestalt definieren.
  • Das Leitrohr 260 enthält die Auslassöffnung 264, die dem Einlassabschnitt 261 gegenüberliegt, wobei die Auslassöffnung 264 in einer Auslassebene 265 (13) angeordnet ist. Eine Endebene 266, die eine elliptische Gestalt definiert, verläuft parallel zu der Zwischenebene 262 und enthält eine Anordnung von Punkten, einschließlich eines Punktes, der von einem entsprechenden Punkt, der die elliptische Gestalt der Zwischenebene 262 definiert, am weitesten entfernt ist. Dieser entfernteste Punkt ist ferner in der Reihe von Punkten vorzufinden, die die Auslassöffnung 264 definieren. Die Auslassöffnung 264 ist in einer Auslassebene 265 unter einem schrägen Winkel „theta“ (9) relativ zu der Endebene 266 angeordnet, wie in 13 veranschaulicht, um eine besser vorhersagbare Strömungsrichtung des Brennstoffs und der Luft zu schaffen, die in die sekundäre Verbrennungszone 100 injiziert werden.
  • Jeder Querschnitt des Leitrohrs 260, der in einer jeweiligen Ebene senkrecht zu der Injektionsachse 268 (d.h. der Strömungsrichtung durch das Leitrohr 260) betrachtet wird, ist ebenfalls elliptisch. Die einzelnen Ellipsen weisen jeweils einen Mittelpunkt auf, der mit der Injektionsachse 268 zusammenfällt. Die einzelnen ebenen Ellipsen sind zu einem kontinuierlichen Bogen 400 angepasst, der einen Quadranten einer imaginären Ellipse mit einer großen Halbachse der Länge „A“ und einer kleinen Halbachse der Länge „B“ definiert, wobei die Länge A die Höhe des Leitrohrs 260 definiert und die Länge B die Geometrie der Verjüngung zwischen der Zwischenebene 262 und der Auslassebene 266 des Leitrohrs 260 definiert. Der Ausdruck „große Halb-“ bezieht sich auf eine Hälfte der großen Achse, und der Ausdruck „kleine Halb-“ bezieht sich auf eine Hälfte der kleinen Achse, die in beiden Fällen von der Mitte durch einen Fokus und zu dem Umfang der imaginären Ellipse verlaufen.
  • Es ist festgestellt worden, dass die Verhältnisse von A zu B in dem Bereich von 1,5:1 bis 30:1 (einschließlich 1,5:1 und 30:1) sehr geeignet sind, um die gewünschte Leistung zu erreichen. In einem weiteren Aspekt kann das Verhältnis von A zu B in dem Bereich von 1,5:1 bis 5:1 oder in einem noch weiteren Aspekt von 3:1 bis 5:1 liegen. In einem noch weiteren Aspekt kann das Verhältnis von A zu B größer als 3:1 und kleiner als 30:1 sein. Der Bogen 400 kann einen ersten Endpunkt an einer beliebigen Stelle in einer Anordnung von Punkten, die die imaginäre Ellipse definieren, die in der Zwischenebene 262 angeordnet ist und einen zweiten Endpunkt an einer beliebigen entsprechenden Stelle in der Anordnung von Punkten haben, die die imaginäre Ellipse der Endebene 266 definieren. In einer Ausführungsform ist jeder Punkt der imaginären Ellipse, die in der Zwischenebene 262 angeordnet ist, ein erster Endpunkt des Bogens 400, der mit einem entsprechenden zweiten Endpunkt der Endebene 266 verbunden ist.
  • Mathematisch kann die Formel, die den Bogen 400 als einen Quadranten einer imaginären Ellipse definiert, deren Hauptachse A zu der Injektionsachse 268 parallel verläuft, wie folgt dargestellt werden: x 2 + y 2 M 2 = 1 ,
    Figure DE102018131660A1_0001
    worin x eine Zahl ungleich Null (d.h. x ≠ 0) ist, y größer als Null ist (d.h. y > 0) und M eine Zahl zwischen 1,5 und 30 ist und 1,5 und 30 einschließt (d.h. 1,5 ≤ M ≤ 30).
  • Die Querschnittsellipsen, die entlang des Bogens 400 definiert und senkrecht zu der Injektionsachse 268 ausgerichtet sind, nehmen von der Zwischenebene 262 zu der Endebene 266 in ihrer Wirkfläche ab.
  • 13 veranschaulicht eine Seitenansicht des Leitrohrs 260. Wie vorstehend erläutert, ist die Auslassöffnung 264 entlang einer Auslassebene 265 angeordnet, die zu der Endebene 266 schräg (nicht parallel) verläuft, so dass ein Winkel „theta“ (θ) zwischen der Auslassebene 265 und der Endebene 266 definiert ist. Die Endebene 266 und die Zwischenebene 262 sowie die Ebene, die den Einlass 262 definiert, verlaufen parallel zueinander.
  • 16 veranschaulicht ein inneres Oberflächenprofil eines alternativen Leitrohrs 1260. Der Einlassabschnitt 1261 des Leitrohres 1260 definiert eine elliptische (ovale) Gestalt um die Injektionsachse 1268 herum, die senkrecht zu der Achse 1268 ausgerichtet ist und die sich in Axialrichtung entlang der Achse 1268 von einer Einlassebene 1267 bis zu einer Zwischenebene 1262 erstreckt. Die Größe und Gestalt des Leitrohres 1260 ist an der Einlassebene 1267 und der Zwischenebene 1262 gleich, so dass ein einheitlicher Querschnitt durch die Leitrohrwand zwischen der Einlassebene 1267 und der Zwischenebene 1262 definiert ist. Die elliptischen Formen des Leitrohrs 1260 an der Einlassebene 1267 und der Zwischenebene 1262 umfassen jeweils eine Anordnung von Punkten, die die jeweilige elliptische Gestalt definieren.
  • Das Leitrohr 1260 enthält die Auslassöffnung 1264, die dem Einlass 1261 gegenüberliegt, wobei die Auslassöffnung 1264 in einer Auslassebene angeordnet ist (wie in 13 veranschaulicht). Eine Endebene 1266, die eine elliptische Gestalt definiert, verläuft parallel zu der Zwischenebene 1262 und enthält eine Anordnung von Punkten, einschließlich eines Punktes, der von einem entsprechenden Punkt am weitesten entfernt ist, der die elliptische Gestalt der Zwischenebene 1262 definiert. Dieser am weitesten entfernte Punkt ist ferner in der Reihe von Punkten vorzufinden, die die Auslassöffnung 1264 definieren. Die Auslassöffnung 1264 ist in einer Auslassebene 1265 unter einem schrägen Winkel „theta“ (θ) relativ zu der Endebene 1266 angeordnet, wie in 13 veranschaulicht.
  • Jeder Querschnitt des Leitrohrs 1260, der in einer jeweiligen Ebene senkrecht zu der Injektionsachse 1268 (d.h. der Strömungsrichtung durch das Leitrohr 1260) betrachtet wird, ist ebenfalls elliptisch. Die einzelnen Ellipsen weisen jeweils einen Mittelpunkt auf, der mit der Injektionsachse 1268 zusammenfällt. Die Länge „y“ definiert die Höhe des Leitrohrs 1260, und die Länge „x“ definiert die Geometrie der Verjüngung zwischen der Zwischenebene 1262 und der Auslassebene 1266 des Leitrohrs 1260.
  • Die einzelnen ebenen Ellipsen sind an ein Liniensegment 1400 angepasst, das sich zwischen irgendeinem Punkt in der Zwischenebene 1262 und irgendeinem entsprechenden Punkt in der Endebene 1266 erstreckt, wobei das Liniensegment ein Abschnitt einer Linie ist, die durch die Gleichung definiert ist: y = M x ,
    Figure DE102018131660A1_0002
    worin M eine Zahl zwischen 1,5 und 30, einschließlich der Endpunkte (d.h. 1,5 ≤ M ≤ 30), ist. In einem Aspekt ist M eine Zahl zwischen 1,5 und 5 oder zwischen 3 und 5 oder größer als 3 und kleiner als 30.
  • Indem noch einmal auf die 2 und 5 Bezug genommen wird, wird eine Montage des Brennrohrs 24, das ein axiales Brennstoffstufungssystem 200 aufweist, von der Außenseite aus, sich nach innen vorarbeitend bewerkstelligt. Das vordere Gehäuse 130 (oder der stromabwärtige Gehäuseabschnitt 134) wird über den stromabwärtigen Flansch 138 an einem Flansch 144 des Verdichterauslassgehäuses 140 (oder einem Zwischenflansch 148, der mit dem Verdichterauslassgehäuseflansch 144 verbunden ist, wie in 2 veranschaulicht) angebracht. Das Flammrohr 40 wird von dem vorderen Ende des Brennrohrs 24 aus in Richtung des Verdichterauslassgehäuses 140 eingebaut. Die Leitrohrnaben 270 werden an der Außenfläche des Flammrohrs 40, die den Umfang der Leitrohrdurchgangsöffnungen 146 durch das Flammrohr 40 definiert, vormontiert. Wenn das Flammrohr 40 positioniert ist, werden die Leitrohre 260 in die Leitrohröffnungen 146 eingeführt und stehen mit den Leitrohrnaben 270 in Eingriff. Die Außenhülse 60 wird von dem hinteren Ende des Brennrohrs 24 aus in Richtung des Kopfendes 70 in den Zwischenraum zwischen dem Flammrohr 40 und dem vorderen Gehäuse 130 eingebaut. Die Luftschilder 64 werden an einer Innenfläche der Außenhülse 60 in der Nähe der Injektoröffnungen 62 vorinstalliert, die durch die Außenhülse 60 definiert sind. Die Injektoröffnungen 62 und die Leitrohröffnungen 146 werden in Axialrichtung und in Umfangsrichtung ausgerichtet. Das Übergangsstück 50 wird über dem dritten zylindrischen Abschnitt 48 des Flammrohrs 40 und seiner Hula-Dichtung 49 installiert.
  • Die Injektoreinheiten 110 werden an dem vorderen Gehäuse 130 derart montiert, dass die Injektorblätter 250 sich in die Leitrohre 260 hinein erstrecken. Während des Einbaus weisen die Injektoreinheiten 110 Längsachsen auf, die zu den Längsachsen der zugehörigen Leitrohre 260 versetzt sind. Während eines Motorbetriebs, wenn die Komponenten heiß sind, sind die Längsachsen der Injektoreinheiten 110 und der Leitrohre 260 jedoch entlang der jeweiligen Injektionsachse 268 jeder Injektionsanordnung 210 zueinander ausgerichtet. Nachdem die Injektoreinheiten 110 an dem vorderen Gehäuse 130 gesichert sind, werden die Brennstoffzuführleitungen 214, 216 angeschlossen, und eine Hauptbrennstoffzuführleitung (nicht veranschaulicht) wird mit dem Hauptbrennstoffeinlass 212 der Brennstoffinjektionsanordnung 210A verbunden.
  • Die vorliegenden Brennstoffinjektionsanordnungen, wie sie hierin beschrieben sind, unterstützen eine verbesserte Vermischung von Brennstoff und verdichtetem Gas in einer Brennkammer mit axial gestufter Verbrennung, um Emissionen zu reduzieren. Die vorliegenden Brennstoffinjektionssysteme und AFS-Systeme ermöglichen folglich eine Verbesserung des gesamten Betriebswirkungsgrades einer Brennkammer, wie z.B. einer Brennkammer in einer Gasturbinenanordnung. Dies steigert die Ausgangsleistung und reduziert die Kosten, die mit dem Betrieb einer Brennkammer, wie etwa einer Brennkammer, die in einer landgestützten Hochleistungs-Gasturbinenanordnung zur Energieerzeugung verwendet wird, verbunden sind.
  • Außerdem leiten die Leitrohranordnungen, wenn die Brennkammer heruntergeregelt wird und die Injektoreinheiten nicht mit Brennstoff versorgt werden, eine Luftströmung in den stromabwärtigen Abschnitt des Brennkammerflammrohrs hinein, womit eine vollständige Verbrennung der Verbrennungsprodukte aus der primären Verbrennungszone unterstützt wird. Es ist festgestellt worden, dass der Abstand zwischen den Leitrohranordnungen und ihren gewinkelten Auslässen die Bildung von kalten Zügen verhindert, die ansonsten durch die Einleitung von Kühlluft in die heißen Verbrennungsprodukte hervorgerufen werden können. Somit wird der Einfluss der kühleren Luft, die durch die Leitrohranordnungen eingeleitet wird, auf das Austrittstemperaturprofil des Brennrohrs minimiert. Es ist festgestellt worden, dass das Austrittstemperaturprofil unabhängig davon, ob die Injektoreinheiten mit Brennstoff versorgt sind oder nicht, gleich bleibt wodurch die Dauerhaltbarkeit der Turbine und ihrer Komponenten verbessert wird.
  • Beispielhafte Ausführungsformen von Brennstoffinjektoren und Verfahren zur Verwendung derselben sind vorstehend im Einzelnen beschrieben. Die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme sind nicht auf die speziellen hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten der Verfahren und Systeme unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden können. Z.B. können die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme andere Anwendungen haben, die nicht auf die Ausführung mit Turbinenanordnungen, wie hierin beschrieben, beschränkt sind. Vielmehr können die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme in Verbindung mit verschiedenen anderen Industriezweigen implementiert und verwendet werden.
  • Während die technischen Verbesserungen anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die technischen Verbesserungen mit Modifikationen innerhalb des Rahmens und Umfangs der Ansprüche umgesetzt werden können.
  • Es ist eine Injektionsanordnung für eine Gasturbinenbrennkammer geschaffen, die ein Flammrohr, das eine Verbrennungszone und eine sekundäre Verbrennungszone definiert, und ein vorderes Gehäuse aufweist, das wenigstens einen Abschnitt des Flammrohrs längs des Umfangs umgibt. Die Injektionsanordnung enthält eine Leitrohranordnung und eine Injektoreinheit. Die Leitrohranordnung, die an dem Flammrohr montiert ist, enthält ein Leitrohr, das sich durch eine Leitrohröffnung in dem Flammrohr hindurch erstreckt. Die Injektoreinheit, die an dem vorderen Gehäuse montiert ist und sich durch dieses hindurch erstreckt, enthält ein Injektorblatt, das sich in das Leitrohr hinein erstreckt. Die Injektionsanordnung leitet eine Brennstoffströmung in eine Luftströmung ein, die durch das Leitrohr strömt, so dass Brennstoff und Luft in die sekundäre Verbrennungszone in eine Richtung quer zu einer Strömung von Verbrennungsprodukten aus der primären Verbrennungszone injiziert werden.
  • Teileliste:
  • Element Figur Beschreibung
    1000 1 Gasturbine
    12 1 Einlassabschnitt (des Verdichters)
    14 1 Arbeitsfluid (Luft)
    16 1 Verdichter
    18 1 Verdichtetes Arbeitsfluid (Luft)
    20 1 Brennstoff
    24 1,2,5 Brennkammer/Brennrohr
    26 1,2,5 Verbrennungsgase
    28 1 Turbine/Turbinenabschnitt
    30 1 Welle
    32 1 Last (z.B. Generator)
    34 1 Abgase
    40 2,5 Flammrohr
    41 2,5 Mischlöcher
    42 2,5 Erster zylindrischer Flammrohrabschnitt
    44 2,5 Venturirohr
    45 2,5 Divergierender Abschnitt
    46 2,3,4,5,6,8,9,11 Zweiter zylindrischer Flammrohrabschnitt
    47 2,5 Konvergierender Abschnitt
    48 2,5 Dritter zylindrischer Flammrohrabschnitt
    49 4,5 Hula-Dichtung
    50 2 Übergangsstück
    52 2 Hinteres Ende der Brennkammer
    60 2,3,4,5,6,8,9,11 Außenhülse (Strömungshülse)
    62 4,8,9,11 Injektoröffnung in der Außenhülse
    64 8,9,11 Luftschild um 260 herum
    65 2,5,8,9,11 Ringraum zwischen dem Flammrohr und der Außenhülse
    70 2,5 Kopfendabschnitt/vorderes Ende
    80 2,5 Primäre Brennstoffdüsen
    82 2,5 Zentrale Brennstoffdüse
    90 2,5 Primäre Verbrennungszone
    100 2,5,11 Sekundäre Verbrennungszone
    110 2,5 Injektoreinheit
    110A 4,6,8 Injektoreinheit der Injektionsanordnung 210A
    110B 9 Injektoreinheit der Injektionsanordnung 210B
    130 2,5,11 Vorderes Gehäuse
    132 2,5 Stromaufwärtiger Gehäuseabschnitt
    133 2 Flansch des stromaufwärtigen Gehäuseabschnitts
    134 2,3,4,5,6,7 Stromabwärtiger Gehäuseabschnitt
    135 2,5,8,9,11 Ringraum zwischen der Außenhülse und dem vorderen Gehäuse
    136 2,3,4,8,9 Zylindrischer Abschnitt des stromabwärtigen Gehäuseabschnitts
    137 3,4 Stromaufwärtiger Flansch des stromabwärtigen Gehäuseabschnitts
    138 3,4,5,8,9 Stromabwärtiger Flansch des stromabwärtigen Gehäuseabschnitts
    140 2 Verdichterauslassgehäuse
    142 2 Druckluftplenum
    144 2 Verdichterauslassgehäuseflansch
    146 8,9,11 Leitrohröffnung im Flammrohr 40/46
    148 2 Zwischen-/Verbindungsflansch zwischen Flansch 138 und Verdichterauslassgehäuseflansch 144
    160 2,4,5,6,8,9,11 Leitrohranordnung
    200 2,5 AFS-System
    210 2,5 Brennstoffinjektionsanordnungen
    210A 3,4,6,7,8 Brennstoffinjektionsanordnung mit Hauptbrennstoffeinlass
    210B-C-D 3,4,6,7,9 Andere Brennstoffinjektionsanordnungen als 210A
    212 3,4,6,8 Hauptbrennstoffeinlass
    213 6,8 Halsbereich von 210A
    214 3, 6,7 Erste Brennstoffzuführleitung (die 210A und 210B verbindet)
    215 6 Brennstoffdurchgang innerhalb 219
    216 3,6,7 Zweite Brennstoffzuführleitung
    (die 210A und 210C verbindet)
    217 6 Brennstoffdurchgang innerhalb 219
    218 7 Dritte Brennstoffzuführleitung (die 210C und 210D verbindet)
    219 6,8 Zwischenleitung von 210A
    220 3,6 Brennstoffleitungsanschlussstück (zwischen 214 und 215)
    222 3,4,6 Brennstoffleitungsanschlussstück (zwischen 216 und 217)
    224 3 Erstes Ende der Brennstoffzuführleitung 214 (verbunden mit 220)
    226 3 Erstes Ende der Brennstoffzuführleitung 216 (verbunden mit 222)
    230 6,8 Brennstoffplenum bei 210
    234 3,6 Zweites Ende der Brennstoffzuführleitung 214 (verbunden mit 320)
    236 6 Zweites Ende der Brennstoffzuführleitung 216 (verbunden mit 322)
    240 6,8 Körper der Brennstoffinjektionsanordnung 210A
    242 3,8 Montageflansch von 210
    250 6,8,9,10,11 Brennstoffinjektorblatt
    252 8,10 Brennstoffinjektionsöffnungen (Seite)
    254 8,9,10 Brennstoffinjektionsöffnungen (Ränder)
    256 10 Erste (vordere) Kante von 250
    258 10 Zweite (hintere) Kante von 250
    259 8,9,10 Endrand von 250
    260 6,8,9,11,12,13 Leitrohr
    261 11,12,13 Einlass/Einlassabschnitt von 260
    262 12,13 Zwischenebene
    264 6,11,12,13 Auslassöffnung von 260
    265 13 Auslassebene
    266 12,13 Endebene von 260
    267 13 Einlassebene
    268 8,9,12 Injektionsachse
    269 11,13 Nach außen vorragende Rippe
    270 11,14,15 Leitrohrnabe
    271 14,15 Außenumfang von 270
    272 11,14 Absatz entlang 273
    273 14,15 Innerer Umfang von 270
    274 11,14,15 Luftströmungsdurchgänge
    275 14,15 Durch 273 definierte Öffnung
    282 14,15 Obere Fläche von 270
    284 14,15 Untere Fläche von 270
    290 11 Injektoranschluss im Gehäuse 130
    313 9 Halsbereich von 210B
    319 7 Zwischenleitung von 210C (in der 4-Injektor-Konfiguration)
    320 3,6,7,9 Brennstoffleitungsanschlussstück
    von 210B
    322 6,7 (Erstes) Brennstoffleitungsanschlussstück von 210C
    324 7 (Zweites) Brennstoffleitungsanschlussstück von 210C (verwendet in der 4-Injektor-Konfiguration)
    326 7 Brennstoffleitungsanschlussstück von 210D
    340 9 Körper von 210B
    342 9 Montageflansch von 210B
    400 12,13 Bogen, der die Gestalt des inneren des Leitrohrs 260 definiert
    A 12 Große Halbachse der Ellipse, die den Bogen 400 definiert (Höhe)
    B 12 Kleine Halbachse der Ellipse, die den Bogen 400 definiert (Verjüngung)
    1260 16 Leitrohr
    1261 16 Einlass/Einlassabschnitt von 1260
    1262 16 Zwischenebene
    1264 16 Auslassöffnung von 1260
    1266 16 Endebene von 1260
    1267 16 Einlassebene
    1268 16 Injektionsachse
    1400 16 Linie, die die Verjüngung zwischen dem Einlass und dem Auslass von
    1260 definiert
    X 16 Ausmaß der Verjüngung
    Y 16 Höhe des Leitrohrs

Claims (10)

  1. Injektionsanordnung (210) für eine Gasturbinenbrennkammer (24), die ein Flammrohr (40), das eine primäre Verbrennungszone (90) und ein sekundäre Verbrennungszone (100) definiert, und ein vorderes Gehäuse (130) aufweist, das wenigstens einen Abschnitt des Flammrohrs (40) längs des Umfangs umgibt, wobei die Injektionsanordnung (210) aufweist: eine Leitrohranordnung (160), die eine Leitrohrnabe (270), die an dem Flammrohr (40) montiert ist, und ein Leitrohr (260) aufweist, das sich durch die Leitrohrnabe (270) und eine Leitrohröffnung (146) in dem Flammrohr (40) erstreckt; und eine Injektoreinheit (110), die an dem vorderen Gehäuse (130) montiert ist und sich durch dieses hindurch erstreckt, wobei die Injektoreinheit (110) ein Injektorblatt (250) aufweist, das sich in das Leitrohr (260) hinein erstreckt; wobei die Injektionsanordnung (210) eine Brennstoffströmung (20) in eine Luftströmung (18) einleitet, die durch das Leitrohr (260) strömt, so dass Brennstoff und Luft in die sekundäre Verbrennungszone (100) in eine Richtung quer zu einer Strömung von Verbrennungsprodukten (26) aus der primären Verbrennungszone (90) injiziert werden.
  2. Injektionsanordnung (210) für eine Gasturbinenbrennkammer (24), die ein Flammrohr (40), das eine primäre Verbrennungszone (90) und eine sekundäre Verbrennungszone (100) definiert, und ein vorderes Gehäuse (130) aufweist, das wenigstens einen Abschnitt des Flammrohrs (40) längs des Umfangs umgibt, wobei die Injektionsanordnung (210) aufweist: eine Leitrohranordnung (160), die an dem Flammrohr (40) montiert ist und ein Leitrohr (260) aufweist, das sich durch eine Leitrohröffnung (146) in dem Flammrohr (40) hindurch erstreckt; und eine Injektoreinheit (110), die an dem vorderen Gehäuse (130) montiert ist und sich durch dieses hindurch erstreckt, wobei die Injektoreinheit (110) ein Injektorblatt (250) aufweist, das sich in das Leitrohr (260) hinein erstreckt; wobei die Injektionsanordnung (210) eine Brennstoffströmung (20) in eine Luftströmung (18) einleitet, die durch das Leitrohr (260) strömt, so dass Brennstoff und Luft in die sekundäre Verbrennungszone (100) in eine Richtung quer zu einer Strömung von Verbrennungsprodukten (26) aus der primären Verbrennungszone (90) injiziert werden.
  3. Injektionsanordnung (210) nach Anspruch 2, wobei die Leitrohranordnung (160) eine Leitrohrnabe (270) aufweist, die an dem Flammrohr (40) montiert ist, wobei sich das Leitrohr (260) durch die Leitrohrnabe (270) hindurch erstreckt.
  4. Injektionsanordnung (210) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Injektoreinheit (110) einen Brennstoffeinlass (212) und einen Körper (240) aufweist, der ein Brennstoffplenum (230) in Fluidverbindung mit dem Brennstoffeinlass (212) definiert.
  5. Injektionsanordnung (210) nach Anspruch 4, wobei das Injektorblatt (250) mehrere Brennstoffinjektionsöffnungen (252) definiert, wobei die mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen (252) mit dem Brennstoffplenum (230) in Fluidverbindung stehen.
  6. Injektionsanordnung (210) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Injektorblatt (250) eine erste Injektionsfläche (251), eine zweite Injektionsfläche (253), die mit der ersten Injektionsfläche an einem Endrand (259) des Injektorblattes (250) verbunden ist, und ein Paar Verbindungsflächen (256, 258) zwischen der ersten Injektionsfläche (251) und der zweiten Injektionsfläche (253) aufweist; und wobei die mehreren Brennstoffinjektionsöffnungen (252) einen ersten Satz von Brennstoffinjektionsöffnungen, die durch die erste Injektionsfläche (251) hindurch angeordnet sind, und einen zweiten Satz von Brennstoffinjektionsöffnungen aufweist, die durch die zweite Injektionsfläche (253) hindurch angeordnet sind.
  7. Injektionsanordnung (210) nach Anspruch 6, wobei jede Verbindungsfläche des Paars von Verbindungsflächen (251, 253) eine Brennstoffinjektionsöffnung (254) definiert, wobei die Brennstoffinjektionsöffnung (254) stromabwärts des ersten Satzes von Brennstoffinjektionsöffnungen und des zweiten Satzes von Brennstoffinjektionsöffnungen relativ zu einer Brennstoffströmung durch die Injektoreinheit (110) angeordnet ist.
  8. Injektionsanordnung (210) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Injektorblatt (250) eine erste axiale Länge (L1) definiert und das Leitrohr (260) eine zweite axiale Länge (L2) definiert, die größer ist als die erste axiale Länge (L1), so dass Luft (18) um das Injektorblatt (250) herum strömt, damit es sich innerhalb des Leitrohrs (260) mit einem Brennstoff aus dem Injektorblatt (250) vermischt; und wobei das Injektorblatt (250) zu dem Leitrohr (260) versetzt ist, wenn die Injektionsanordnung (210) eingebaut wird; und wobei das Injektorblatt (250) und das Leitrohr (260) entlang einer gemeinsamen Injektionsachse (268) zentriert sind, wenn sich die Injektionsanordnung (210) im Betrieb befindet.
  9. Injektionsanordnung (210) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leitrohr (260) einen Einlassabschnitt (261) mit einer elliptischen Gestalt und eine Auslassöffnung (264) mit einer elliptischen Gestalt aufweist; wobei der Einlassabschnitt (261) in einer ersten Ebene definiert sein kann und die Auslassöffnung in einer zweiten Ebene (265) definiert sein kann, wobei die zweite Ebene (265) unter einem schrägen Winkel in Bezug auf die erste Ebene ausgerichtet ist.
  10. Injektionsanordnung (210) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Injektoreinheit (110) ein Brennstoffleitungsanschlussstück (220, 222, 320, 322, 324, 326) in Strömungsverbindung mit einer benachbarten Injektoreinheit (110) aufweist, die an dem vorderen Gehäuse (130) montiert und in Umfangsrichtung von der Injektionsanordnung (210) getrennt ist.
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