-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenbrennkammern, und speziell
Lärmreduzierung in den Brennkammern.
-
BESCHREIBUNG VERWANDTER TECHNIK
-
Die
Problematik der Luftverschmutzung führte weltweit zu strengeren
Emissionsstandards. Diese Standards begrenzen gesetzlich die infolge
des Betriebs von Gasturbinen erzeugte Emission von Stickstoffoxiden
(NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen
(HC) und Kohlenmonoxid (CO). Insbesondere entsteht in einer Gasturbine
aufgrund hoher Brennkammerflammentemperaturen Stickstoffoxid. Die Durchführung
von Änderungen an einer Gasturbine mit dem Ziel der Verringerung
von Stickstoffoxidemissionen wirkt sich häufig nachteilig
auf die Betriebsschallpegel der betreffenden Gasturbine aus.
-
Unter
normalen Betriebsbedingungen können in Abhängigkeit
von Brennstoff-Luft-Stöchiometrie, dem gesamten Massendurchsatz
und sonstigen Betriebsbedingungen in den Brennkammern zerstörerische
oder unerwünschte Schalldruckschwankungen oder Druckpulse
von Gasturbinen entstehen. Die gegenwärtigen Bemühungen
bei der Entwicklung von Gasturbinenbrennkammern mit Blick auf eine Verringerung
von NOx-Emissionen, die Luftverschmutzungsstandards
von Bund und Land entsprechen müssen, führt zum
Einsatz von Magervorgemischverbrennungssystemen, in denen Brennstoff und
Luft stromaufwärts des Flammenreaktionsbereichs homogen
vermischt werden. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis oder das Äquivalenzverhältnis, bei
dem diese Verbrennungssysteme arbeiten, ist im Vergleich zu älteren
Brennkammern wesentlich ”magerer”, so dass niedriger
Flammentemperaturen aufrecht erhalten werden, was wiederum die Erzeugung unerwünschter
gasförmiger NOx-Emissionen auf
angemessene Pegel begrenzt. Dieses Verfahren verwendet häufig
Wasser- oder Dampfeinspeisung zur Erzielung geringer Emissionen,
jedoch neigt die Verbrennungsinstabilität, die in Zusammenhang
mit dem Betrieb mittels Wasser- oder Dampfeinspeisung und bei einem
geringen Äquivalenzverhältnis vorhanden ist, auch
zur Entstehung unangemessen hoher dynamischer Druckschwankungen
in der Brennkammer, die Schäden an Komponenten und sonstigen
Problemen im Betrieb zur Folge haben können. Druckpulse können
nachteilige Wirkungen auf ein Triebwerk haben, beispielsweise zu
mechanischer und thermischer Ermüdung von Brennkammerteilen
führen. Es hat sich herausgestellt, dass das Problem von
Druckpulsen in Brennkammern mit geringem Schadstoffausstoß sogar
noch gravierender ist, da in derartige Konstruktionen ein wesentlich
höherer Prozentsatz von Luft in die Brennstoff-Luft-Mischer
eingeführt wird.
-
Es
wurde beobachtet, dass von Flugzeugtriebwerken abgeleitete ringförmige
Verbrennungssysteme, z. B. die LM-Reihe von Gasturbinen der Fa. General
Electric, mit ihrer kurzen kompakten Brennkammerkonstruktion komplexe
vorherrschende Schalldruckschwankungsmoden in der Brennkammer hervorbringen.
Beispielsweise ruft die LMS100 Rich-SAC (Single Annular Combustor,
Einzelringbrennkammer) eine Verbrennungsdynamik hervor, wenn mit
Blick auf die Begrenzung von NOx Wasser eingespritzt
wird. Dieser Verbrennungsschall kann eine ausreichend hohe Amplitude
aufweisen, um HCF-Rissbildung an Brennkammerteilen hervorzurufen,
und kann beschleunigten Verschleiß an Brennkammergrenzflächen
fördern. Der zwischengekühlte Hochleistungszyklus
der LMS100 bringt erheblich weniger T3 und höhere Brennstoff/Luft-Verhältnisse hervor
und weist einen größeren Wasserverbrauch auf als
herkömmliche Schifffahrts- und Industrie-Rich-SAC-Triebwerke,
was in der Summe den Verbrennungsschall verschärft. Die
LMS100 ist somit die erste M&I-SAC,
die Konstruktionsmerkmale zur Begrenzung von Verbrennungsdynamik
verwendet.
-
DLE-Brennkammern
neigen zu Verbrennungsschall und weisen gewöhnlich Konstruktionsmerkmale
und/oder eine Steuerlogik auf, um die beeinträchtigende
Wirkung von Verbrennungsschall zu reduzieren. Diese Brennkammern
enthalten Viertelwellenrohre, um Druckschwankungen zu dämpfen, sowie
Mehrstoffsysteme und Zusatzbrennstoffkreisläufe. Mehrstoffsysteme
gestatten eine Änderung der Flammentemperatur in der Brennkammer.
Die Brennkammern der Baureihen LM2500-DLE und LM6000-DLE verwenden
drei Ringe von Vormischeinrichtungen, in die voneinander unabhängig
Brennstoff eingespeist wird. Dies ermöglicht, dass die äußere,
mittlere und innere Vormischeinrichtung unterschiedliche Flammentemperaturen
aufweisen. Der Unterschied der Flammentemperatur kann in radialer Richtung
bis zu mehreren Hundert Grad betragen.
-
Zusatzbrennstoffkreisläufe
wurden bisher verwendet, um an unterschiedlichen Orten einen verhältnismäßig
kleinen Teil des Brennstoffs von den primären Injektionsorten
her in die Brennkammer zu injizieren. Der Zusatzbrennstoff kann
eine konvektive Zeitskala aufweisen, die als die Zeit definiert
ist, die das Brennstoff/Luft-Gemisch benötigt, um sich
von dem Punkt der Injektion zu der Flammenfront zu bewegen, die
sich von derjenigen der primären Brennstoffquelle unterscheidet.
Dementsprechend interagieren Druckwellen in der Brennkammer mit
den beiden Brennstoffquellen wahrscheinlich nicht in derselben Weise.
Diese phasenverschobene Schwankung der Wärmefreigabe dient
dazu, die Amplitude der Druckschwankungen zu reduzieren. In einigen
Ausprägungen bewirkt der Zusatzbrennstoff außerdem eine
Temperaturänderung in der Brennkammer.
-
In
den LM2500-DLE- und LM6000-DLE-Brennkammern von General Electric wird
Zusatzbrennstoff von jeder zweiten Vormischeinrichtung injiziert.
Der Brennstoffzustrom zu Vormischeinrichtungen, die keinen Zusatzbrennstoff
aufweisen, ist im allgemeinen geringer als zu jenen, die den Zusatzbrennstoff
aufweisen. Der Unterschied der Flammentemperatur von Vormischeinrichtung
zu Vormischeinrichtung kann bis zu mehreren Hundert Grad betragen.
Es ist zu beachten, dass ein um den Umfang angeordnetes Muster von
Zusatzbrennstoff in den Vormischeinrichtungen der LM2500-DLE und LM6000-DLE
durch die Vormischeinrichtungskonstruktion auf jede zweite Vormischeinrichtung
beschränkt ist.
-
Es
ist in hohem Maße erwünscht, über ein wirkungsvolles
Mittel zur Beseitigung oder Minderung dieser hohen Lärm-
oder Schallpegel in einer Gasturbinenbrennkammer zu verfügen,
insbesondere falls diese eine kurze Länge aufweist und
mit Blick auf geringe Emissionen von NOx (Stickstoffoxiden), CO
und unverbrannten Kohlenwasserstoffen konstruiert ist. Weiter ist
in hohem Maße erwünscht, dass diese Mittel sich
ohne weiteres in bereits bestehende Triebwerke einsetzen bzw. sich
diesen hinzufügen, sowie für spezielle Triebwerke
und Anlagen anpassen lassen.
-
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Eine
Gasturbinenbrennkammer enthält einen Kreisring mit einer
oder mehreren kreisförmigen Reihen von Brennern und ein
Mittel zur Erzeugung einer Anzahl von voneinander gleichwinklig
beabstandeten Flammentemperaturinhomogenitäten rund um
den Kreisring während des Triebwerksbetriebs. Die Anzahl
der Flammentemperaturinhomogenitäten stimmt mit einer um
den Umfang vorhandenen Schallschwingungszahl überein, die
während des Triebwerksbetriebs in der Brennkammer zu dämpfen ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Brennkammer ist die Anzahl
der Flammentemperaturinhomogenitäten gleich drei, fünf
oder sieben. Die Brennkammer kann eine, zwei oder drei der kreisförmigen
Reihen von Brennern aufweisen.
-
Ein
weiteres spezielleres Ausführungsbeispiel der Brennkammer
enthält Brennstoffleitungen, die mit Blick auf die Brennstoffzufuhr
mit den Brennern verbunden sind, und Zumessöffnungen in
einem Abschnitt der Brennstoffleitungen, um die Flammentemperaturinhomogenitäten
herzustellen. Außerdem können Wasserleitungen
mit Blick auf die Zufuhr mit den Brennern verbunden sein, und die
Zumessöffnungen können in einem Abschnitt der
Brennstoffleitungen und/oder der Wasserleitungen angeordnet sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Brennkammer kann eine, zwei
oder drei der kreisförmigen Reihen von Brennern aufweisen.
-
Ein
weiteres spezielleres Ausführungsbeispiel der Brennkammer
enthält einen Kreisring von Brennern mit einer oder mehreren
kreisförmigen Reihen der Brenner, wobei der Kreisring eine übereinstimmende
Anzahl von voneinander gleichwinklig beabstandeten ersten und zweiten
bogenförmigen Segmenten der Brenner aufweist. Ein Mittel
ist vorgesehen, um die ersten Segmente der Brenner bei einer ersten
Flammentemperatur zu betreiben, und um die zweiten Segmente der
Brenner bei einer sich von der ersten Flammentemperatur unterscheidenden
zweiten Flammentemperatur zu betreiben. Die ersten Segmente der
Brenner weisen eine kleinere Anzahl von Brennern auf als die zweiten
Segmente der Brenner. Die Anzahl der ersten Segmente stimmt mit
einer um den Umfang vorhandenen Schallschwingung überein,
die während des Triebwerksbetriebs in der Brennkammer zu
dämpfen ist. Die Anzahl der ersten Segmente kann drei,
fünf oder sieben sein.
-
Ein
Verfahren zum Dämpfen von um den Umfang vorhandenem Schall
in einer Gasturbinenbrennkammer beinhaltet den Schritt, die Brennkammer
mit einer Anzahl von voneinander gleichwinklig beabstandeten Flammentemperaturinhomogenitäten um
einen Kreisring von Brennern in der Brennkammer zu betreiben. Der
Kreisring enthält eine oder mehrere kreisförmige
Reihen von Brennern, und die Anzahl der Flammentemperaturinhomogenitäten stimmt
mit einer um den Umfang vorhandenen Schallschwingung überein,
die während des Triebwerksbetriebs in der Brennkammer zu
dämpfen ist. Die Anzahl der Flammentemperaturinhomogenitäten kann
gleich drei, fünf oder sieben sein, und die Brennkammer
weist eine, zwei oder drei der kreisförmigen Reihen von
Brennern auf.
-
Zu
dem Verfahren kann der Schritt gehören, die ersten Segmente
der Brenner bei einer ersten Flammentemperatur zu betreiben, und
die zweiten Segmente der Brenner bei einer zweiten Flammentemperatur
zu betreiben, die sich von der ersten Flammentemperatur unterscheidet.
Ein spezielleres Ausführungsbeispiel des Verfahrens beinhaltet
den Schritt, Brennstoff durch Brennstoffleitungen zu Vergasern der
Brenner zu leiten, wobei in den Brennstoffleitungen zu den Vergasern
der Brenner in den ersten Segmenten Zumessöffnungen angeordnet sind.
Ein weiteres spezielleres Ausführungsbeispiel des Verfahrens
beinhaltet: Leiten von Brennstoff durch Brennstoffleitungen zu Vergasern
der Brenner; Leiten von Wasser durch Wasserleitungen zu Vergasern
der Brenner; und wobei die Brennstoffleitung und/oder die Wasserleitungen
darin angeordnete Zumessöffnungen aufweisen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
vorausgehenden Aspekte und andere Merkmale der Erfindung werden
in der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen
erläutert:
-
1 veranschaulicht
in einer Querschnittsansicht eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Gruppe
von Brennstoffbrennern, die dazu dienen, in Verbindung mit einer
Anzahl von um den Umfang angeordneten Flammentemperaturinhomogenitäten betrieben
zu werden.
-
2 veranschaulicht
schematisch eine erste Gruppe von Vergasern in Brennern, um für
eine Frequenz von 3 pro Umdrehung Schall in einer Gasturbinenbrennkammer
zu dämpfen oder zu eliminieren, die einen einzigen Kreisring
von Brennstoffinjektoren aufweist.
-
3 zeigt
eine schematische Darstellung einer zweiten Gruppe von Vergasern
in Brennern, um für eine Frequenz von 3 pro Umdrehung Schall
in einer Gasturbinenbrennkammer, die zwei Kreisringe von Brennstoffinjektoren
aufweist, zu dämpfen oder zu eliminieren.
-
4 zeigt
eine schematische Darstellung einer dritten Gruppe von Vergasern
in Brennern, um für eine Frequenz von 3 pro Umdrehung in
einer Gasturbinenbrennkammer mit drei Kreisringen von Brennstoffinjektoren
Schall zu dämpfen oder zu eliminieren.
-
5 zeigt
eine schematische Darstellung einer vierten Gruppe von Vergasern
in Brennern, um für eine Frequenz von 5 pro Umdrehung in
einer Gasturbinenbrennkammer, die einen einzigen Kreisring von Brennstoffinjektoren
aufweist, Schall zu dämpfen oder zu eliminieren.
-
6 zeigt
eine schematische Darstellung einer fünften Gruppe von
Vergasern in Brennern, um für eine Frequenz von 5 pro Umdrehung
in einer Gasturbinenbrennkammer, die zwei Kreisringe von Brennstoffinjektoren
aufweist, Schall zu dämpfen oder zu eliminieren.
-
7 zeigt
eine schematische Darstellung einer sechsten Gruppe von Vergasern
in Brennern, um für eine Frequenz von 5 pro Umdrehung in
einer Gasturbinenbrennkammer, die drei Kreisringe von Brennstoffinjektoren
aufweist, Schall zu dämpfen oder zu eliminieren.
-
8 veranschaulicht
in einer Querschnittsansicht eine Zumessöffnung in einer
Brennstoffleitung der in 1 veranschaulichten Gasturbinenbrennkammer.
-
9 veranschaulicht
in einer Querschnittsansicht eine Zumessöffnung in einer
Wasserleitung der in 1 veranschaulichten Gasturbinenbrennkammer.
-
10 zeigt
eine perspektivische Ansicht der in 8 und 9 veranschaulichten
Zumessöffnung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
wird nun im Einzelnen Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen übereinstimmende
Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet sind.
1 veranschaulicht
einen Verbrennungsabschnitt bzw. eine Gasturbinenbrennkammer
10,
die zwischen einem Diffusor
48 und einem Turbinenleitapparat
55 stromabwärts
einer Stufe von Verdichterauslassleitschaufeln
14 angeordnet
ist. Die Brennkammer
10 ist von einer Bauart, die zum Einsatz
in einer Gasturbine und insbesondere für eine Schiffs-/Industrie-Gasturbine
mit geringem NO
x-Ausstoß geeignet
ist. Die Brennkammer
10 ist eine Dreifachringbrennkammer,
die mit Blick auf geringe Schadstoffemissionen konstruiert ist,
wie näher in dem
US-Patent
5 323 604 erläutert, das ebenfalls dem Inhaber
der vorliegenden Erfindung gehört, und auf das hier Bezug
genommen ist.
-
Die
Brennkammer 10 weist eine ringförmige äußere
Schale 40, eine ringförmige innere Auskleidung 42 und
ein gewölbtes Ende 44 auf, das sich zwischen äußeren
bzw. inneren Brennkammerwänden 40 und 42 erstreckt.
Die äußere Brennkammerwand 40 und die
innere Brennkammerwand 42 sind in radialer Richtung nach
innen hin von einem äußeren Brennkammergehäuse 136 beabstandet
und definieren zwischen sich eine Brennkammer 46. Das Brennkammergehäuse 136 ist
im Wesentlichen ringförmig und erstreckt sich abstromseitig
von einem Diffusor 48. Die Brennkammer 46 ist
im Wesentlichen ringförmig gestaltet und von den Brennkammerwänden 40 und 42 ausgehend
in radialer Richtung innen angeordnet. Die äußere
und innere Brennkammerwand 40 und 42 erstrecken
sich in axialer Richtung stromabwärts zu dem Turbinenleitapparat 55,
der stromabwärts des Diffusors 48 angeordnet ist.
-
Das
mit Domen ausgebildete Brennkammerende 44 weist mehrere
Dome 56 auf, die in einer dreifachen ringförmigen
Konfiguration angeordnet sind. In einer Abwandlung kann das mit
Domen ausgebildete Brennkammerende 44 eine Konfiguration eines
doppelten oder eines einfachen Rings aufweisen. Es ist jedoch selbstverständlich,
dass die nachfolgend erörterten gleichwinklig voneinander
beabstandeten Flammentemperaturinhomogenitäten, die in
der Brennkammer 10 genutzt werden, nicht auf eine derartige
ringförmige Konfiguration beschränkt sind und
in einer Gasturbinenbrennkammer der hinlänglich bekannten
zylindrische Rohr- oder Kanülenbauart verwendet werden
können. Ein äußerer Dom 58 weist
ein äußeres Ende 60, das an der äußeren Brennkammerwand 40 befestigt
ist, und ein inneres Ende 62 auf, das an einem mittleren
Dom 64 befestigt ist. Der mittlere Dom 64 weist
ein äußeres Ende 66, das an dem inneren
Ende 62 des äußeren Doms befestigt ist,
und ein innere Ende 68 des äußeren Doms
auf, das an einem inneren Dom 70 befestigt ist. Der mittlere
Dom 64 ist radial zwischen dem äußeren bzw.
inneren Domen 58 und 70, angeordnet. Der innere
Dom 70 weist ein inneres Ende 74, das an dem inneren
Ende 68 des mittleren Doms befestigt ist, und ein äußeres
Ende 72 auf, das fest an der inneren Brennkammerwand 42 angebracht
ist.
-
Das
mit Domen ausgebildete Brennkammerende 44 weist ferner
ein äußeres Domhitzeschild 76, ein mittleres
Domhitzeschild 78 und ein inneres Domhitzeschild 80 auf,
um jeden entsprechenden Dom 58, 64 und 70 von
Flammen zu isolieren, die in der Brennkammer 46 brennen.
Das äußere Domhitzeschild 76 weist einen
ringförmigen Endkörper 82 auf, um die äußere
Brennkammerwand 40 von Flammen zu isolieren, die in einer äußeren
primären Verbrennungszone 84 brennen. Das mittlere
Domhitzeschild 78 weist ringförmige Zentralgrundkörper 86 und 88 auf,
um den mittleren Dom 64 von dem äußeren
bzw. inneren Dom 58 und 70 zu trennen. Die Zentralgrundkörper 86 und 88 des
mittleren Doms sind radial außerhalb einer mittleren primären
Verbrennungszone 90 angeordnet. Der innere Domhitzeschild 80 weist einen
ringförmigen Endkörper 92 auf, um die
innere Brennkammerwand 42 von Flammen zu isolieren, die in
einer inneren primären Verbrennungszone 94 brennen.
Eine Zündvorrichtung 96 erstreckt sich durch das äußere
Brennkammergehäuse 136 und ist stromabwärts
des Hitzeschildendkörpers 82 des äußeren
Doms angeordnet.
-
Die äußeren,
mittleren und inneren Dome 58, 64 und 70 tragen
eine ringförmige Anordnung bzw. einen Kreisring 118 von
Brennern 120, die Vergaser 98 aufweisen, denen
Brennstoff und Luft durch Vormischeinrichtungen 101 zugeführt
wird, die Vormischbecher aufweisen, die von einem (nicht gezeigten)
Verteilersystem der Anordnung her Brennstoff erhalten. Mehrere Brennstoffleitungen 102 erstrecken
sich zwischen einer (nicht gezeigten) Brennstoffquelle und den Vergasern 98 in
den Domen 56. Insbesondere liefern Brennstoffleitungen 103 des äußeren
Doms Brennstoff zu äußeren Vormischbechern 104,
die in dem äußeren Dom 58 angeordnet sind,
Brennstoffleitungen 106 des mittleren Doms liefern Brennstoff
zu mittleren Vormischbechern 108, die in dem mittleren
Dom 64 angeordnet sind, und Brennstoffleitungen 110 des
inneren Doms liefern Brennstoff zu inneren Vormischbechern 112,
die in dem inneren Dom 70 angeordnet sind.
-
Die
hierin veranschaulichte exemplarische Gasturbine enthält
ferner ein Wasserzufuhrsystem 130, um Wassereinspritzdüsen 134,
die in den Vergasern 98 der Brenner 120 der Gasturbine 11 angeordnet
sind, Wasser zuzuführen, um Wasser in die Brennkammer 10 einzuspritzen.
Das Wasserzufuhrsystem 130 enthält mehrere innere,
mittlere und äußere Wassereinspritzdüsen 140, 142 und 144 in
den Vergasern 98, die mit einer (nicht gezeigten) Wasserquelle über
Wasserleitungen 148 verbunden sind, die in 1 als
innere, mittlere bzw. äußere Wassereinspritzleitungen 150, 152 und 154 veranschaulicht sind.
Die inneren, mittleren und äußeren Wassereinspritzdüsen 140, 142 und 144 stehen
mit den inneren, mittleren bzw. äußeren Vormischbechern 104, 108 und 112 in
Strömungsverbindung und sind dazu eingerichtet, einen zerstäubten
Wassersprühstrahl in das in den Vormischbechern erzeugte
Brennstoff/Luft-Gemisch zu injizieren. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel
sind die Wassereinspritzdüsen 134 mit einer (nicht
gezeigten) Dampfquelle verbunden, und Dampf wird mittels der Wassereinspritzdüsen 134 in
das Brennstoff/Luft-Gemisch injiziert.
-
In
Zusammenhang mit dem Betrieb der Brennkammer 10 entstehende
dynamische Druckpulse oder Verbrennungsschall oder -lärm
unterwerfen die Gasturbine einer übermäßigen
mechanischen Belastung. Es wurde beobachtet, dass die Verbrennungsdynamik,
wenn zur NOx-Begrenzung Wasser eingespritzt
wird, Verbrennungsschall erzeugt, der eine ausreichend hohe Amplitude
aufweisen kann, um HCF-Rissbildung an Brennkammerteilen hervorzurufen,
und einen beschleunigten Verschleiß an Brennkammergrenzflächen
zu fördern. Die gegenwärtigen Bemühungen
bei der Entwicklung von Gasturbinenbrennkammern mit Blick auf die
Verringerung von NOx-Emissionen, die Luftverschmutzungsstandards
von Bund und Land erfüllen müssen, führt zum
Einsatz von Vorgemischverbrennungssystemen, in denen Brennstoff
und Luft sowie gelegentlich Wasser stromaufwärts des Flammenreaktionsbereichs
mittels der Verwirbelungsmischer einer Bauart homogen vermischt
werden, die einen verhältnismäßig offenen
Strom aufweist. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis oder das Äquivalenzverhältnis,
bei dem diese Verbrennungssysteme arbeiten, ist im Vergleich zu herkömmlichen
Brennkammern wesentlich ”magerer”, um niedrige
Flammentemperaturen aufrecht zu erhalten, mit dem Ziel, die gasförmigen
NOx-Emissionen auf das vorgeschriebene Maß zu
begrenzen. Obwohl dieses Verfahren zum Erzielen geringen Schadstoffausstoßes
mit oder ohne den Einsatz von Wasser- oder Dampfeinspeisung weitverbreitet
genutzt wird, erzeugt die Verbrennungsinstabilität in Zusammenhang
mit dem Betrieb bei einem geringen Äquivalenzverhältnis
ebenfalls unangemessen hohe dynamische Druckschwankungen in der
Brennkammer, was Schäden an Komponenten und sonstige Probleme
im Betrieb zur Folge hat.
-
2 veranschaulicht
ein erstes Ausführungsbeispiel der ringförmigen
Gruppe oder des Kreisrings 118 von Brennern 120,
die eine übereinstimmende Anzahl von N voneinander gleichwinklig beabstandeten
ersten und zweiten bogenförmigen Segmenten 122, 124 aufweisen.
Die ersten und zweiten bogenförmigen Segmente 122, 124 enthalten erste
bzw. zweite Quantitäten Q1, Q2 der Brenner 120.
Die Brennkammer 10 weist ein Mittel auf, um in dem Kreisring 118 von
Brennern 120 gleichwinklig voneinander beabstandete Flammentemperaturinhomogenitäten 125 zu
erzeugen. Die Anzahl N der Flammentemperaturinhomogenitäten 125 stimmt
mit einer um den Umfang vorhandenen Schallschwingung überein,
die während des Triebwerksbetriebs in der Brennkammer zu
dämpfen ist. Beispiele der um den Umfang verlaufenden zu
dämpfenden Schallschwingungen sind drei, fünf
oder sieben pro Umdrehung, was drei, fünf oder sieben der
Flammentemperaturinhomogenitäten 125 entspricht.
Die zu dämpfenden um den Umfang verlaufenden Schallschwingungsmoden,
wie sie hierin veranschaulicht sind, beinhalten drei und fünf
Schwingungen pro Umdrehung. Eine entsprechende Anzahl von drei und
fünf Flammentemperaturinhomogenitäten 125 ist
im Vorliegenden veranschaulicht, wie sie durch drei oder fünf
der ersten Segmente 122 der Brenner 120 erzeugt
werden. 2, 3 und 4 veranschaulichen
drei Flammentemperaturinhomogenitäten 125, und 5, 6 und 7 veranschaulichen
fünf Flammentemperaturinhomogenitäten 125.
-
Erste
und zweite Quantitäten Q1, Q2 der Brenner 120 in
den ersten bzw. zweiten Segmenten 122, 124 sind
ungleich. Die Brenner 120 in den ersten und zweiten Segmenten 122, 124 werden
bei verschiedenen ersten und zweiten Temperaturen T1, T2 betrieben,
so dass während des Triebwerksbetriebs in der Brennkammer
um den Umfang vorhandene Schallwellen gedämpft werden.
Der Kreisring 118 von Brennern 120, bei dem die
ersten und zweiten Segmente 122, 124 bei verschiedenen
ersten bzw. zweiten Temperaturen T1, T2 arbeiten, erzeugt rund um
den Umfang eine Uneinheitlichkeit der Flammentemperatur zwischen
Segmenten in dem Kreisring 118 von Brennern 120.
Die Flammentemperaturuneinheitlichkeit wird auf ein spezielles Muster
abgestimmt, z. B. drei pro Umdrehung, wie in 2–4 veranschaulicht,
oder fünf pro Umdrehung, wie in 5–8 veranschaulicht.
Die Flammentemperaturuneinheitlichkeit kann auf einen größeren
Schwingungsmodus abgestimmt sein, beispielsweise 7. Diese Feineinstellung
ist bei der Dämpfung von Schallwellen der um den Umfang
verlaufenden Art effektiver als die herkömmliche Praxis
des Einführens einer unterschiedlichen Betriebstemperatur
in jeder zweiten Vormischeinrichtung bzw. Brenner. Die erste Quantität
Q1 der Brenner 120 ist hierin als geringer veranschaulicht
als die zweite Quantität Q2 der Brenner 120.
-
2 und 5 veranschaulichen
eine Brennkammer 10 mit einer kreisförmigen Reihe
R von Brennern 120 und zugeordneten Vormischeinrichtungen 101 in
dem Kreisring 118; 3 und 6 veranschaulichen
eine Brennkammer 10 mit zwei kreisförmigen Reihen
R von Brennern 120 und zugeordneten Vormischeinrichtungen 101 in
dem Kreisring 118; und 4 und 7 veranschaulichen
eine Brennkammer 10 mit drei kreisförmigen Reihen
R von Brennern 120 und zugeordneten Vormischeinrichtungen 101 in
dem Kreisring 118. 5, 6 und 7 zeigen
die Brennkammer 10 mit fünf ersten und zweiten
bogenförmigen Segmenten 122, 124 und
einer, zwei bzw. drei kreisförmigen Reihen R von Brennern 120 sowie
entsprechend zugeordnete Vormischeinrichtungen 101 in dem
Kreisring 118.
-
Es
sind vielfältige Verfahren und Mittel zur Erzeugung der
Flammentemperaturinhomogenitäten 125 in dem Kreisring 118 von
Brennern 120 vorhanden. Eines dieser Mittel beinhaltet
den Schritt des Lieferns zweier verschiedener Mengen eines Brennstoff-
und/oder Wasserstroms, die zu den verschiedenen Brennern 120 strömen.
Ein weiteres Mittel beinhaltet eine Zufuhr von zwei verschiedenen
Werten von Strömungsraten von Brennstoff und/oder Wasser,
die den Brennern 120 in den beiden verschiedenen Segmenten
des Kreisrings 118 mittels der Brennstoff- und Wasserzufuhrpumpen
und deren Steuereinrichtungen eingespeist werden. Noch ein weiteres Mittel
beinhaltet ein Einstellen von zwei verschiedenen Werten von Strömungsraten
von Brennstoff und/oder Wasser, die den Brennern 120 in
den beiden verschiedenen ersten und zweiten Segmenten 122, 124 des
Kreisrings 118 mittels passiver Mittel zugeführt
werden. Ein spezielleres Mittel zum Erreichen dieses Ziels basiert
darauf, Strömungsbegrenzer oder Zumessöffnungen 160 in
den Brennstoffleitungen 102 und/oder den Wasserleitungen 148 anzuordnen.
Die Zumessöffnungen 160 ähneln einer
Unterlegscheibe, die eine zentrale Öffnung zur Strömungsbegrenzung
aufweisen, und sind in den Brennstoffleitungen 102 und/oder
in den Wasserleitungen 148 in Kammern 162 angeordnet.
-
Während
hier bevorzugte und als Beispiele zu betrachtende Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, werden dem Fachmann
auf der Grundlage der vorliegenden Ausführungen weitere
Abwandlungen der Erfindung offensichtlich erscheinen, und es ist
daher gewünscht, sämtliche derartige Modifikationen,
wie sie in den Schutzbereich der Erfindung fallen, in den beigefügten
Patentansprüchen abzudecken. Dementsprechend soll die US-Patenturkunde
die Erfindung schützen, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert
und differenziert dargelegt ist.
-
Zusammenfassung:
-
Eine
Gasturbinenbrennkammer enthält einen Kreisring mit einer
oder mehreren kreisförmigen Reihen von Brennern und ein
Mittel zur Erzeugung einer Anzahl von voneinander gleichwinklig
beabstandeten Flammentemperaturinhomogenitäten rund um
den Kreisring während des Triebwerksbetriebs. Die Anzahl
der Flammentemperaturinhomogenitäten stimmt mit einer um
den Umfang vorhandenen Schallschwingung überein, die in
der Brennkammer zu dämpfen ist (d. h. drei, fünf
oder sieben). Brennstoffleitungen und/oder Wasserleitungen, die
mit Blick auf die Zufuhr mit den Brennern verbunden sind, und Zumessöffnungen
in einem Abschnitt der Brennstoffleitungen und/oder den Wasserleitungen können
genutzt werden, um die Flammentemperaturinhomogenitäten
zu erzeugen. Der Kreisring der Brenner kann eine übereinstimmende
Anzahl von voneinander gleichwinklig beabstandeten ersten und zweiten
bogenförmigen Segmenten der Brenner und ein Mittel aufweisen,
um den Brenner in den ersten Segmenten zu betreiben, und die Brenner
in den zweiten Segmenten bei verschiedenen ersten bzw. zweiten Flammentemperaturen
zu betreiben.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
