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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Verbrennungsanlage so wie eine Verbrennungsanlage
einer Gasturbine, die ein Verbrennungsgas von einem Brenner zu einer
Kammer überführt und
eine Turbine unter Verwendung des Verbrennungsgases betätigt.
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Beschreibung
des Stand der Technik
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Generell
beinhaltet eine Gasturbine einen Kompressor, einen Verbrenner sowie
eine Turbine als Haubtbestandteile und der Kompressor und die Turbine
sind direkt miteinander über
eine Hauptwelle verbunden. Der Verbrenner ist mit einer Ausgabeöffnung des
Kompressors verbunden und ein vom Kompressor ausgegebenes Arbeitsfluid
wird mittels des Verbrenners auf eine vorbestimmte Turbinen-Einlasstemperatur
erhitzt. Das Arbeitsfluid mit hoher Temperatur und hohem Druck,
das zur Turbine zugeführt wird,
verläuft
zwischen einer stationären
Klinge und einer sich bewegenden Klinge, die an der Seite der Hauptwelle
angebracht ist, und expandiert. Auf diese Weise wird die Hauptwelle
gedreht und eine Ausgabeleistung wird erreicht. Für den Fall,
bei dem eine Gasturbine verwendet wird, kann diese, da eine Teilenergie
von der vom Kompressor verbrauchten Energie subtrahiert wird, erreicht
wird, als gute Antriebsquelle durch Anbinden eines Generators usw.
am anderen Ende der Hauptwelle verwendet werden.
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In
der
US 4,425,755 ist
eine Gasturbine mit Brennstoff-Doppelbrenner
beschrieben, in der der Brennerdurchmesser durch Injektion des gasförmigen Brennstoffs
in die gleiche zentrale Leitung, die den flüssigen Brennstoff aufnimmt,
sowie durch Entfernung eines zentralen Drehbolzens minimiert wird. Das
Dokument
US 5,408,830 beschreibt
eine vielstufige Brennstoff-Einspritzdüse, die
einen zylindrischen Körper
umfasst, der einen Durchgang für
vorgemischtes Gas aufweist, sowie einen Diffusionsgas-Durchgang.
In der
US 5,690,039 sind
ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Reduzierung von NO
x in der Verbrennungszone durch räumlich ausgewähltes Injizieren
eines Kühlfluids
in die Verbrennungszone beschrieben. In der
GB 644,719 wird ein Verfahren zur zeitweisen
Erhöhung
der Ausgabeleistung der vorwärts
treibenden Gase beschrieben, wobei der gesamte Luftstrom, der zur
Verbrennungskammer zugeführt
wird, zeitweise in die Verbrennungszone hineingeleitet wird. Die
US 5,224,851 offenbart eine
Brennstoff-Wasserdüse,
die einen ringförmigen Strömungsweg
umfasst, der um die Brennstoff-Einspritzdüse herum ausgebildet ist, durch
welche Kühlwasser
zugeführt
wird. Dieses Kühlwasser
wird parallel zur Längsachse
der Brennstoff-Einspritzdüse ausgegeben.
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Ein
schematischer Aufbau eines Gasturbinen-Verbrenners wird im Nachfolgenden
unter Verwendung eines Ölverfeuerungs-Verbrenners als Beispiel
erläutert.
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In 10 kennzeichnet
das Bezugszeichen einen Ölfeuerungs-Verbrenner. In dem
Verbrenner 10 ist eine Vormisch-Düse 12 entlang der
zentralen Achse der Heizkammer 11 vorgesehen. Ein Vorbrenner 13 ist
am zentralen Abschnitt der Vormisch-Düse 12 angeordnet und
eine Vielzahl von Hauptbrennern 1 ist mit einem gleichen
Intervall zwischen einander so angeordnet, dass sie den Vorbrenner 13 umgeben.
Dementsprechend stimmt die zentrale Achse des Vorbrenners 13 mit
der zentralen Achse der Heizkammer 11 überein.
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Brennstoffe
werden über
eine Vor-Brennstoffleitung 14 zum Vorbrenner 13 zugeführt und
ein Vorbrennstoff wird von einer Vor-Brennstoffdüse 14a ausgegeben,
die am Endabschnitt des Vorbrenners 13 angeordnet ist,
und wird in einer Brennkammer 10a in der Heizkammer 11 unter
Verwendung eines Wirbel-Luftstroms
als brennbare Luft verbrannt. Die so erzeugte Flamme des Vorbrenners 13 wird
als Zündquelle
für den
Hauptbrenner 1, der im Folgenden beschrieben werden wird,
verwendet.
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Jeder
der Hauptbrenner 1 für
die Vormisch-Düse 12 beinhaltet
eine Hauptbrennstoff-Zufuhrleitung 2, die mit einer Brennstoff-Zufuhrquelle verbunden
ist, welche nicht in der Figur gezeigt ist, sowie einen Hauptwirbel 5,
der den durch einen äußeren Umfangsabschnitt
der Hauptbrennstoff-Zuführleitung 2 strömenden Luftstrom
verwirbelt.
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Der
Hauptbrenner 1 gibt den Brennstoff, der über die
Hauptbrennstoff-Zuführleitung 2 eingeführt wurde,
aus einem Brennstoff-Ausgabeauslass aus, so dass ein vorgemischtes
Gas durch die Vormischung des Brennstoffs mit dem Luftstrom erzeugt werden
kann. Das vorgemischte Gas wird von jedem der Hauptbrenner 1 ausgegeben
und strömt
um den Vorbrenner 13 als Wirbelstrom herum. Das vorgemischte
Gas wird durch die oben erwähnte
Flamme des Vorbrenners 13, der als Flammquelle verwendet wird,
gezündet.
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Ebenso
weist die Hitzekammer 11, die die Verbrennungskammer 10a des
Vorbrenners 10 ausbildet, einen Aufbau auf, in dem eine
Vielzahl von Ringen 15 verkuppelt sind, wobei jeder der
Ringe 15 durch Plattenrippen ausgebildet ist, die einen
Durchgang zum Einführen
von Luft an der äußeren Umfangsseite
in das Innere entlang der inneren Oberfläche als Kühlluft aufweist. Ein Vorbrennungsprozess wird
in der Brennkammer 10a ausgeführt, die durch die Vielzahl
von Ringen 15 ausgebildet ist, und das erzeugte Verbrennungsgas
wird zu einer stromabwärtigen
Seite als Wirbelstrom transferiert, um eine Turbine usw. zu betätigen.
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In
der Figur beinhalten die Ringe 15, die die Wärmekammer 11 ausbilden,
einen ersten Ring 15a, einen zweiten Ring 15b sowie
einen dritten Ring 15c in der Reihenfolge von der Vormisch-Düse 12 aus gesehen.
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In
der Gasturbine mit dem oben beschriebenen Verbrenner 10 wird
dann, wenn dessen Ausgabeleistung erhöht wird, die Menge an zugeführtem Brennstoff
ebenso erhöht.
In einem solchen Fall wird auch die Temperatur der Verbrennungskammer 10a aufgrund
der Verbrennung einer größeren Menge
an Brennstoff erhöht.
Aus diesem Grund wird konventioneller Weise das Sprühen von
Kühlwasser
in die Brennkammer 10a in Übereinstimmung mit der Menge
an zugeführtem
Brennstoff ausgeführt,
um die Temperatur des Verbrennungsgases, welches zu der an der stromabwärtigen Seite
platzierten Turbine transferiert wird, zu steuern und dessen Ausgabeleistung
zu steigern.
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Das
bedeutet, dass die Ausgabeleistung einer Gasturbine durch die Turbinen-Einlasstemperatur
und die Menge an zugeführtem
Gas bestimmt wird. Somit wird dann, wenn eine Ausgabeleistung erforderlich
ist, die größer als
die zu dieser Zeit mögliche
Temperatur ist, beispielsweise im Sommer, die Menge an zugeführtem Brennstoff
erhöht.
Da jedoch die zulässige
Temperatur für
einen Verbrenner oder eine Turbine schon vorab festgelegt ist, wird
die Turbinen-Einlasstemperatur auf eine Design-Temperatur durch
Zuführen
von Wasser oder Wasserdampf in die Luft abgesenkt. In anderen Worten
wird die Temperatur des Verbrennungsgases durch die Erhöhung der Menge
an Gas durch Wasser oder Wasserdampf-Injektion so abgesenkt, dass
eine konstante Temperatur beibehalten wird, und die Ausgabeleistung
wird durch Zuführen
einer großen
Menge an Brennstoff erhöht.
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Wie
oben bereits erwähnt
wird, obwohl in dem oben erwähnten
Verbrenner 10 die Temperatur des zu der Turbine transferierten
Verbrennungsgases durch Einführen
von Kühlwasser
in die Verbrennungskammer 10a zum Erhöhen der Ausgabeleistung der
Turbine gesteuert wird, die Temperatur der Ringe 15, die
die Wärmekammer 11 bilden,
hoch, insbesondere im Falle eines Ölfeuerungs-Verbrenners aufgrund
beispielsweise der Differenz der Verdampfungsrate zwischen dem Brennstoff
und dem Kühlwasser.
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Das
bedeutet, dass beispielsweise in einem Verbrenner mit niedrigem
NOx für
eine Gasturbine auf 1400°C-Niveau
das Verhältnis
von für
die Verbrennung verwendeter Luft hoch ist, um eine Hauptflammen-Temperatur
abzusenken, um ein niedriges NOx-Niveau
zu erreichen. Aus diesem Grund ist es notwendig, deren Oberflächen unter
Verwendung einer sehr geringen Menge an Luft von beispielsweise nur
etwa 3,5% zu kühlen.
Obwohl die Temperatur der Oberflächen
unter Verwendung einer solch niedrigen Menge an Kühlluft auf
eine zulässige
Temperatur dann abgesenkt werden kann, wenn ein gasförmiger Brennstoff
verwendet wird, wird die Temperatur der Oberflächen dann erhöht, wenn
die Belastung der Gasturbine ein bestimmtes Niveau dann übersteigt, wenn
ein flüssiger
Brennstoff verwendet wird, aufgrund einer unzureichenden Gleichmäßigkeit
zwischen der Luft und dem Brennstoff, einer großen Strahlung usw. und die
Lebensdauer der Turbine wird verkürzt. Dies wird daher bewirkt,
dass wenn ein flüssiger
Brennstoff verwendet wird, ein Mischungszustand des Brennstoffs,
der auf dem gleichen Niveau wie der des flüssigen Brennstoffs liegt, aufgrund
von dessen großer
Dichte nicht erreicht werden kann, die die Durchdringung und den
breiten Bereich der Partikelgrößenverteilung
beim Sprühen
erhöht.
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Dementsprechend
reicht es nicht aus, einen Abkühlprozess
nur unter Verwendung einer Filmkühlung
oder einer Konvektionskühlung
auszuführen und
es besteht die Gefahr, dass die Temperatur drastisch erhöht wird,
insbesondere beim zweiten Ring 15b und dem dritten Ring 15c,
die den stromabwärtigen
Abschnitt der Wärmekammer 11 bilden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung zieht die oben erwähnten Umstände in Betracht und hat zum
Ziel, einen Verbrenner zur Verfügung
zu stellen, der in der Lage ist, dass Hitze eine Wärmekammer
eines Verbrenners schädigt,
während
gleichzeitig deren Ausgabeleistung erhöht werden kann.
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Um
das oben erwähnte
Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen Verbrenner
zur Verfügung,
beinhaltend: einen Brenner; und eine Brennkammer, welche eine Hitzekammer
beinhaltet, in die Brennstoff von dem Brenner befördert wird,
wobei der Brenner eine Düse
mit einem Brennstoff-Ausgabeauslass
beinhaltet, von der Brennstoff in die Brennkammer ausgegeben wird;
und die Düse
beinhaltet eine Vielzahl von Ausgabeöffnungen um den Brennstoff-Ausgabeauslass, von
denen Kühlwasser auf
die inneren Oberflächen
der Hitzekammer ausgegeben werden.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung ist der Brennstoff-Ausgabeauslass im Zentrum der Düse ausgebildet.
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Gemäß dem oben
erwähnten
Verbrenner wird es, da das Kühlwasser
von den um den Brennstoff-Ausgabeauslass, der am Zentrum der Düse ausgebildet
ist, angeordneten Ausgabeöffnungen ausgegeben
wird, und das Kühlwasser
auf die inneren Oberflächen
der Hitzekammer aufgesprüht
wird, möglich,
die Hitzekammer zuverlässig
abzukühlen.
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Aus
diesem Grund kann die Hitzebeschädigung
der Hitzekammer aufgrund eines Anstiegs der Verbrennungstemperatur
zuverlässig
auch dann verhindert werden, wenn die Menge an zugeführtem Brennstoff
erhöht
wird, um die Ausgabeleistung einer Turbine zu erhöhen. Dementsprechend
ist diese Technik geeignet anwendbar auf eine Ölbefeuerungs-Verbrennungsanlage,
deren Temperatur an der stromabwärtigen
Seite der Hitzekammer leicht erhöht
wird, wenn das Kühlwasser
einfach in die Verbrennungskammer eingesprüht wird, aufgrund des Unterschieds
der Verdampfungsrate zwischen dem Brennstoff und dem Kühlwasser.
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Darüber hinaus
ist die Vielzahl von Ausgabeöffnungen
derart angeordnet, dass die Richtungen des von den Ausgabeöffnungen
ausgegebenen Kühlwassers
in radialer Richtung differiert.
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Gemäß der Erfindung
kann, da die Richtungen die Kühlwassers,
das von den Ausgabeöffnungen
ausgegeben wird, in radialer Richtung differiert, das Kühlwasser
auf verschiedene Orte in axialer Richtung der inneren Oberflächen der
Hitzekammer gerichtet werden. Dementsprechend wird es möglich, die
Hitzekammer durchgehend abzukühlen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst die Vielzahl von Ausgabeöffnungen
eine äußere umfängliche
Ausgabeöffnung,
die auf den umfänglichen
Abschnitt der Düse
hin ausgerichtet ist, eine zentrale Ausgabeöffnung, die entlang der axialen
Richtung der Düse
ausgebildet ist, sowie eine innere umfängliche Ausgabeöffnung,
die auf das Zentrum der Düse
hin ausgebildet ist.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Verbrenner wird, da die Ausgabeöffnungen die äußeren umfänglichen
Ausgabeöffnungen,
die auf den umfänglichen
Abschnitt der Düse
hin ausgebildet sind, die zentralen Ausgabeöffnungen, die entlang der axialen Richtung
der Düse
ausgebildet sind, sowie die inneren umfänglichen Ausgabeöffnungen,
die auf das Innere der Düse
hin ausgerichtet sind, beinhaltet, das von der äußeren umfänglichen Ausgabeöffnung ausgegebene
Kühlwasser
nicht durch den von der Ausgabeöffnung
am Zentrum der Düse
des Brenners ausgegebenen Brennstoff beeinflusst und erreicht Positionen
an der Innenseite der Brennkammer, die weiter entfernt vom Brenner
liegen, das von der zentralen Ausgabeöffnung ausgegebene Kühlwasser wird
mehr oder weniger durch den vom Ausgabeauslass ausgegebenen Brennstoff
beeinflusst und der Verlauf des Kühlwassers wird auf den Umfang
der Düse
so gekrümmt,
dass das Kühlwasser
Positionen an der Innenseite der Brennkammer erreicht, die näher am Brenner
liegen, und das von der inneren umfänglichen Ausgabeöffnung ausgegebene
Kühlwasser
wird am meisten von dem vom Ausgabeauslass gegebenen Brennstoff
beeinflusst und erreicht Positionen an der Innenseite der Brennkammer,
die dem Brenner am nächsten
gelegen sind. Dementsprechend wird es möglich, das Kühlwasser,
welches von den Ausgabeöffnungen
ausgegeben wird, voll umfänglich
auf die Innenoberflächen
der Hitzekammer so aufzusprühen,
dass die die Hitzekammer durch Hitze schädigende Hitze zuverlässig verhindert
werden kann.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt der Erfindung unterscheiden sich die Richtungen des
von den Ausgabeöffnungen
ausgegebenen Kühlwassers durch
Verwendung von Wirbelwinkeln der Ausgabeöffnungen.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Verbrenner wird, wenn eine Ausgabeöffnung auf das Innere in Bezug
auf die axiale Richtung so ausgebildet ist, dass unter Berücksichtigung
von den Umgebungsbereichen ein großer Verwirbelungswinkel ausgebildet wird,
das Kühlwasser
zuerst in einer nach innen gerichteten Richtung ausgegeben und wird
dann nach außen
hin abgelenkt. Dementsprechend wird es durch die Veränderung
der Kombinationen der axialen Richtungen, der Verwirbelungswinkel
usw. der Ausgabeöffnungen
möglich,
die Ausgabeöffnungen des
Kühlwassers
so zu gestalten, dass sie für
jedes spezielle verwendete System geeignet sind.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet der Verbrenner des
Weiteren: eine Wasser-Ausgabevorrichtung, die Kühlwasser auf die äußeren Oberflächen des
Verbrenners abgibt, wobei die Wasser-Ausgabevorrichtung an der Außenseite des
Verbrenners angeordnet ist.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Verbrenner kann, da die Wasser-Ausgabevorrichtung, die Kühlwasser
auf die äußeren Oberflächen des
Verbrenners ausgibt, vorgesehen ist, die Temperatur des Gases und
die der Oberflächen
der Hitzekammer abgesenkt und die Ausgabeleistung der Turbine erhöht werden.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein Teil des von der Wasser-Ausgabevorrichtung
ausgegebenen Wassers mit der für
die Kühlung
der Oberflächen
der Hitzekammer verwendeten Luft vermischt und ein Teil des von
der Wasser-Ausgabevorrichtung
ausgegebenen Wassers wird mit einer für die Verbrennung verwendeten
Luft vermischt, so dass die Temperatur des Gases und die der Oberflächen der
Hitzekammer abgesenkt werden können.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Verbrenner kann, da ein Teil des von der Wasser-Ausgabevorrichtung
ausgegebenen Wassers mit der für
die Abkühlung
der Oberflächen
der Hitzekammer verwendeten Luft vermischt wird und ein Teil des
von der Wasser-Ausgabevorrichtung
ausgegebenen Wassers mit der für
die Verbrennung verwendeten Luft vermischt wird, die Temperatur
des Gases und die der Oberflächen
der Hitzekammer abgesenkt werden und somit die Ausgabeleistung der
Turbine erhöht werden.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der Erfindung gibt die Wasser-Ausgabevorrichtung
Wasser in die für
die Verbrennung verwendete Luft ab, so dass das Wasser in der Luft
verdampft wird, um die Temperatur des Gases abzusenken, und ein
Teil des Wassers, das nicht verdampft wird, strömt entlang eines Verwirbelungs-Luftstroms,
um an den Oberflächen
des Verbrenners anzuhaften und deren Temperatur abzusenken.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Verbrenner wird das von der Wasser-Ausgabevorrichtung ausgegebene
Wasser für
die Verbrennung verwendet, so dass das Wasser in der Luft verdampft
wird, um die Temperatur des Gases abzusenken. Ebenso strömt ein Teil
des Wassers, der nicht verdampft wurde, entlang des Verwirbelungs-Luftstroms
und haftet an der Oberflächen
des Verbrenners an, um dessen Temperatur abzusenken. Auf diese Weise
werden die Temperatur des Gases und die der Oberflächen der Hitzekammer
abgesenkt und die Ausgabeleistung der Turbine kann erhöht werden.
Dementsprechend wird es möglich,
die Schädigung
der Hitzekammer aufgrund des Anstiegs der Verbrennungstemperatur auch
dann zuverlässig
zu verhindern, wenn die Menge an Brennstoff erhöht wird, um die Ausgabeleistung
des Systems zu erhöhen.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der Erfindung ist der Verbrenner ein Ölfeuerungs-Verbrenner.
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Der
Aufbau eines oben erwähnten
Verbrenners ist insbesondere für
einen Ölfeuerungs-Verbrenner
geeignet, dessen Temperatur an der stromabwärtigen Seite der Hitzekammer
dazu neigt, dann erhöht zu
werden, wenn das Kühlwasser
einfach in die Brennkammer hineingesprüht wird, aufgrund des Unterschieds
der Verdampfungsgeschwindigkeit zwischen dem Brennstoff und dem
Kühlwasser.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Einige
der Merkmale und Vorteile der Erfindung wurden bereits beschrieben
und andere werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
und aus den anhängenden
Zeichnungen ersichtlich, in denen:
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1 ein
Diagramm ist, das eine schematische Querschnittsansicht eines Verbrenners
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung des Aufbaus und von
dessen Elementen zeigt;
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2 ein
Diagramm ist, das eine Querschnittsansicht einer Brennstoff-Voreinspritzdüse zeigt,
die mit dem Verbrenner gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung von dessen Aufbau versehen
ist;
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3 ein
Diagramm ist, das eine Vorderansicht der Brennstoff-Voreinspritzdüse zeigt,
die mit dem Verbrenner gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung von dessen Aufbau versehen
ist;
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4 ein
Diagramm ist, das eine teilweise Querschnittsansicht der Brennstoff-Voreinspritzdüse zeigt,
die mit dem Verbrenner gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung der Richtungen des
von der Düse
ausgegebenen Kühlwassers
versehen ist;
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5 ein
Diagramm ist, das ebenso eine teilweise Querschnittsansicht der
Brennstoff-Voreinspritzdüse
zeigt, die mit dem Verbrenner gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zur Erläuterung
der Richtungen des von der Düse
ausgegebenen Kühlwassers
versehen ist;
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6 ein
Diagramm ist, das ebenso eine teilweise geschnittene Querschnittsansicht
der Brennstoff-Voreinspritzdüse zeigt,
die mit dem Verbrenner gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung der Richtungen des von
der Düse
ausgegebenen Kühlwassers
versehen ist;
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7 ein
Diagramm ist, das eine schematische Querschnittsansicht eines Verbrenners
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, die mit einer Wasser-Ausgabevorrichtung
versehen ist;
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8 ein
Diagramm ist, das eine schematische Querschnittsansicht eines Verbrenners
gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, die mit der Wasser-Ausgabevorrichtung
versehen ist;
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9 ein
Diagramm ist, das eine schematische Querschnittsansicht eines Verbrenners
gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, die mit der Wasser-Ausgabevorrichtung
versehen ist; und
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10 ein
Diagramm ist, das eine schematische Querschnittsansicht eines konventionellen
Verbrenners zur Erläuterung
von dessen Aufbau und Elementen ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung, die oben zusammengefasst und durch die anhängenden
Ansprüche
definiert ist, wird unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte
Beschreibung besser verständlich
werden, welche unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
gelesen werden sollte. Diese detaillierte Beschreibung besonders
bevorzugter Ausführungsformen,
wie sie im Folgenden angegeben ist, um den Fachmann in die Lage
zu versetzen, die Erfindung nachzubilden und deren besondere Implementierungen
zu verwenden, ist nicht dazu gedacht, die anhängenden Ansprüche zu beschränken, sondern
nur als spezielle Beispiele hiervon zu dienen.
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Dabei
ist anzumerken, dass in den nachfolgenden Figuren diejenigen Elemente,
die die gleichen sind wie diejenigen aus dem Stand der Technik, mit
den gleichen Bezugszeichen versehen sind und deren Erläuterung
weggelassen wurde.
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In 1 kennzeichnet
das Bezugszeichen 21 einen Vorbrenner, der eine Kühlwasser-Ausgabefunktion
aufweist. In dem Vorbrenner 21 wird Kühlwasser von einer Brennstoff-Voreinspritzdüse 22,
die am Endabschnitt des Vorbrenners 21 angeordnet ist, zur
gleichen Zeit wie der Brennstoff ausgegeben.
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Im
Folgenden wird detailliert der Aufbau der Brennstoff-Voreinspritzdüse 22 beschrieben.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, ist der Brennstoff-Ausgabeauslass 23 am
Zentrum der Brennstoff-Voreinspritzdüse 22 so ausgebildet,
dass der Brennstoff von dem Brennstoff-Ausgabeauslass 23 ausgegeben
wird.
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Ein
ringförmiger
Strömungsweg 24 ist
um den Brennstoff-Ausgabeauslass 23 der
Brennstoff-Voreinspritzdüse 22 ausgebildet
und Kühlwasser
wird über
einen Zufuhrdurchgang, der in der Figur nicht gezeigt ist, zum ringförmigen Strömungsweg 24 transferiert.
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Ebenso
ist eine Vielzahl von Ausgabeöffnungen 25,
die in Wirkverbindung mit dem ringförmigen Strömungsweg 24 stehen,
an der Endfläche
der Brennstoff-Voreinspritzdüse 22 ausgebildet,
so dass das in den ringförmigen
Strömungsweg 24 eingeführte Kühlwasser
von den Ausgabeöffnungen 25 ausgegeben
wird.
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In
dieser Ausführungsform
beinhalten die Ausgabeöffnungen 25 äußere umfängliche
Ausgabeöffnungen 25a,
zentrale Ausgabeöffnungen 25b und innere
umfängliche
Ausgabeöffnungen 25c.
Die äußeren umfänglichen
Ausgabeöffnungen 25a sind
auf den umfänglichen
Abschnitten der Brennstoff-Voreinspritzdüse 22 ausgebildet.
Die zentralen Ausgabeöffnungen 25b sind
entlang der axialen Richtung der Düse 22 ausgebildet
und die inneren umfänglichen Ausgabeöffnungen 25c sind
auf das Zentrum der Düse 22 hin
ausgebildet.
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Im
Folgenden wird eine Erläuterung
des Ausgebens von Kühlwasser
aus den Ausgabeöffnungen 25 angegeben.
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Wenn
Kühlwasser
in einem Zustand eingeführt
wird, in dem Brennstoff von dem Ausgabeauslass 23 am Zentrum
der Düse 22 ausgegeben
wird, wird Kühlwasser
von jeder der Ausgabeöffnungen 25 in
die Brennkammer 10a ausgegeben.
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Wie
in 4 gezeigt, wird das von den äußeren umfänglichen Ausgabeöffnungen 25a ausgegebene
Kühlwasser
nicht durch den von dem Ausgabeauslass 23 ausgegebenen
Brennstoff beeinflusst und erreicht eine Position an der Innenseite
der Brennkammer 10a, die weiter entfernt von dem Vorbrenner 21 und
dem Hauptbrenner 1 liegt.
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Ebenso
wird, wie dies in 5 gezeigt ist, das von den zentralen
Ausgabeöffnungen 25b ausgegebene
Kühlwasser
leicht durch den von dem Ausgabeauslass 23 ausgegebene
Brennstoff beeinflusst und der Verlauf des Kühlwassers wird auf den Umfang
der Düse 22 hin
gekrümmt.
Dementsprechend erreicht das Kühlwasser
eine Position an der Innenseite der Brennkammer 10a, die
verglichen mit der Position des von der äußeren umfänglichen Ausgabeöffnung 25a ausgegebenen
Kühlwassers
näher am
Vorbrenner 21 und dem Hauptbrenner 1 liegt.
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Darüber hinaus
wird, wie dies in 6 gezeigt ist, das von den inneren
umfänglichen
Ausgabeöffnungen 25c ausgegebene
Kühlwasser
am meisten durch den von dem Ausgabeauslass 23 ausgegebenen
Brennstoff beeinflusst und der Verlauf des Kühlwassers wird stark auf den
Umfang der Düse 22 hin
gekrümmt.
Dementsprechend erreicht das Kühlwasser
eine Position an der Innenseite der Brennkammer 10a, die
dem Vorbrenner 21 und dem Hauptbrenner 1 am nächsten liegt.
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Auf
diese Weise wird es möglich,
das von jeder der Ausgabeöffnungen 25 ausgegebene
Kühlwasser
direkt auf den ersten Ring 15a, den zweiten Ring 25b und
den dritten Ring 15c, die die in 1 gezeigte
Hitzekammer 11 bilden, vollständig zu sprühen.
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Dabei
ist anzumerken, dass obwohl die Richtungen des von den Ausgabeöffnungen 25 ausgegebenen
Kühlwassers
durch Bereitstellen von drei verschiedenen Arten von Ausgabeöffnungen,
nämlich den äußeren umfänglichen
Ausgabeöffnungen 25a, den
zentralen Ausgabeöffnungen 25b und
den inneren umfänglichen
Ausgabeöffnungen 25c in
der oben erwähnten
Ausführungsform
variiert wird, es möglich ist,
die Ausgaberichtungen des Kühlwassers
unter Verwendung von Verwirbelungswinkeln an den Ausgabeöffnungen 25 zu
variieren.
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Beispielsweise
wird dann, wenn die Ausgabeöffnung
auf das Innere in Bezug auf die axiale Richtung ausgebildet ist,
um so einen großen
Verwirbelungswinkel unter Einbeziehung der Umgebung auszubilden,
das Kühlwasser
zuerst in einer Innenrichtung ausgegeben und wird dann nach außen abgelenkt.
Dementsprechend wird es durch Veränderung der Kombinationen der
axialen Richtungen, der Verwirbelungswinkel usw. der Ausgabeöffnungen möglich, die
Ausgaberichtungen für
das Kühlwasser so
zu gestalten, dass sie für
jedes verwendete spezielle System geeignet sind.
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Wie
oben erwähnt,
wird es gemäß dem Verbrenner 10 mit
der Brennstoff-Voreinspritzdüse 22, die
den oben erwähnten
Aufbau aufweist, möglich, die
Hitzekammer 11 zuverlässig
durch Aufsprühen von
Kühlwasser
auf die Innenoberflächen
der Hitzekammer 11 von den Ausgabeöffnungen 25, welche um
den am Zentrum der Brennstoff-Voreinspritzdüse 22 des Vorbrenners 21 angeordneten
Ausgabeauslass 23 vorgesehen sind, abzukühlen.
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Im
Anschluss wird eine andere Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 beschrieben.
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In 7 ist
der Verbrenner mit einer Wasser-Ausgabevorrichtung 16 versehen.
Die Wasser-Ausgabevorrichtung 16 ist an der Außenseite
des Verbrenners angeordnet und gibt Wasser auf die äußere Oberfläche des
Verbrenners ab. Ebenso wird ein Teil des von der Wasser-Ausgabevorrichtung 16 ausgegebenen
Wassers mit der für
die Abkühlung der
Oberflächen
der Hitzekammer 11 verwendeten Luft vermischt. Darüber hinaus
wird ein Teil des von der Wasser-Ausgabevorrichtung 16 ausgegebenen Wassers
mit der für
die Verbrennung verwendeten Luft vermischt. Auf diese Weise werden
die Temperatur des Gases und die der Oberflächen der Hitzekammer 11 abgesenkt
und die Ausgabeleistung der Turbine kann erhöht werden.
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In
den 8 und 9 gibt die Wasser-Ausgabevorrichtung 16 Wasser
in die für
die Verbrennung verwendete Luft ab, so dass das Wasser in der Luft
verdampft wird, um die Temperatur des Gases abzusenken. Ebenso strömt ein Teil
des Wassers, der nicht verdampft wurde, entlang des Wirbelluftstroms
und haftet an den Oberflächen
des Verbrenners an, um dessen Temperatur abzusenken. Auf diese Weise
werden die Temperatur des Gases und die der Oberflächen der
Hitzekammer 11 abgesenkt und die Ausgabeleistung der Turbine
kann erhöht werden.
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Dementsprechend
wird es möglich,
die Schädigung
der Hitzekammer aufgrund des Anstiegs der Verbrennungstemperatur
auch dann zuverlässig zu
verhindern, wenn die Menge an Brennstoff erhöht wird, um die Ausgabeleistung
des Systems zu erhöhen.
Somit sind die oben erläuterten
Strukturen besonders geeignet für
Befeuerungs-Verbrenner 10, deren Temperatur an der stromabwärtigen Seite
der Hitzekammer 11 dazu neigt, erhöht zu werden, wen Kühlwasser
einfach in die Brennkammer 10 gesprüht wird, aufgrund des Unterschieds
der Verdampfungsgeschwindigkeit zwischen dem Brennstoff und dem Kühlwasser.
Ebenso kann, da die Richtung der Ausgabeöffnungen 25 in radialer
Richtung und in Übereinstimmung
mit den Erfordernissen differiert, das von jeder der Ausgabeöffnungen 25 ausgegebene Kühlwasser
verschiedene Orte der inneren Oberflächen der Hitzekammer 11 gerichtet
werden. Dementsprechend wird es möglich, die Hitzekammer 11 vollständig abzukühlen.
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Ganz
besonders wird, wie oben bereits erwähnt, da die Ausgabeöffnungen 25 die äußeren umfänglichen
Ausgabeöffnungen 25a,
welche auf den umfänglichen
Abschnitt der Brennstoff-Voreinspritzdüse 22 ausgebildet
sind, die zentralen Ausgabeöffnungen 25b,
die entlang der axialen Richtung der Düse 22 ausgebildet
sind, sowie die inneren umfänglichen Ausgabeöffnungen 25c,
die auf das Innere der Düse 22 ausgerichtet
sind, beinhalten, das von der äußeren umfänglichen
Ausgabeöffnung 25a ausgegebene
Kühlwasser
durch den von der Ausgabeöffnung 23 am
Zentrum der Brennstoff-Voreinspritzdüse 22 des
Vorbrenners 21 ausgegebene Brennstoff nicht beeinflusst
und erreicht Positionen an der Innenseite der Brennkammer 10a,
die weiter entfernt von dem Vorbrenner 21 und dem Hauptbrenner 1 liegen,
das von der zentralen Ausgabeöffnung 25b ausgegebene
Kühlwasser
wird mehr oder weniger von dem aus der Ausgabeöffnung 23 ausgegebenen
Brennstoff beeinflusst und der Verlauf des Kühlwassers wird auf den Umfang
der Düse 22 derart
gekrümmt,
dass das Kühlwasser
Positionen an der Innenseite der Brennkammer 10a erreicht,
die näher
an dem Vorbrenner 21 und dem Hauptbrenner 1 liegen,
und das von der inneren umfänglichen
Ausgabeöffnung 25c ausgegebene
Kühlwasser
wird am meisten von dem von der Ausgabeöffnung 23 ausgegebenen
Brennstoff beeinflusst und erreicht Positionen an der Innenseite
der Brennkammer 10a, die dem Vorbrenner 21 und
dem Hauptbrenner 1 am nächsten
liegen. Dementsprechend wird es möglich, das von der Ausgabeöffnung 25 ausgegebene
Kühlwasser
vollständig
auf die inneren Oberflächen
der Hitzekammer 11 derart aufzusprühen, dass die Wärmeschädigung der
Hitzekammer 11 zuverlässig
unterbunden wird.
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Wie
oben bereits erwähnt,
werden gemäß der vorliegenden
Erfindung die folgenden Effekte erreicht.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird es, da das Kühlwasser von den um den Brennstoff-Ausgabeauslass,
der am Zentrum der Düse ausgebildet
ist, angeordneten Ausgabeöffnungen ausgegeben
wird, und das Kühlwasser
auf die inneren Oberflächen
der Hitzekammer aufgesprüht
wird, möglich,
die Hitzekammer zuverlässig
abzukühlen. Aus
diesem Grund kann die Wärmeschädigung der Hitzekammer
aufgrund des Anstiegs der Verbrennungstemperatur zuverlässig auch
dann verhindert werden, wenn die Menge an zugeführtem Brennstoff zur Erhöhung der
Ausgabeleistung einer Turbine erhöht wird. Dementsprechend wird
diese Technik aufgrund der unterschiedlichen Verdampfungsrate zwischen
dem Brennstoff und dem Kühlwasser
geeignet auf einen Ölfeuerungs-Verbrenner
angewendet, dessen Temperatur an der stromabwärtigen Seite der Hitzekammer
leicht dann erhöht
wird, wenn das Kühlwasser
einfach in die Brennkammer eingesprüht wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung kann, da die Richtungen des von den
Ausgabeöffnungen
ausgegebenen Kühlwassers
in radialer Richtung unterschiedlich sind, das Kühlwasser auf verschiedene Orte
in axialer Richtung der Innenoberflächen der Hitzekammer gerichtet
werden. Dementsprechend wird es möglich, die Hitzekammer vollständig abzukühlen.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, da die Ausgabeöffnungen die äußeren umfänglichen
Ausgabeöffnungen,
die auf den umfänglichen
Abschnitt der Düse
hin gerichtet sind, die zentralen Ausgabeöffnungen, die entlang der axialen
Richtung der Düse
ausgerichtet sind, sowie die inneren umfänglichen Ausgabeöffnungen,
die auf das Innere der Düse
ausgebildet sind, das von der äußeren umfänglichen
Ausgabeöffnung
ausgegebene Kühlwasser
nicht durch den von dem Ausgabeauslass am Zentrum der Düse des Brenners
ausgegebenen Brennstoff beeinflusst und erreicht Positionen an der
Innenseite der Brennkammer, die weiter vom Brenner entfernt sind,
das Kühlwasser,
das von der zentralen Ausgabeöffnung
ausgegeben wird, mehr oder weniger von dem vom Ausgabeauslass ausgegebenen
Brennstoff beeinflusst und der Verlauf des Kühlwassers wird auf den Umfang
der Düse
so gekrümmt,
dass das Kühlwasser
Positionen an der Innenseite der Brennkammer erreicht, die näher am Brenner
liegen, und das von der inneren umfänglichen Ausgabeöffnung ausgegebene
Kühlwasser wird
am meisten von dem von dem Ausgabeauslass ausgegebenen Brennstoff
beeinflusst und erreicht Positionen an der Innenseite der Brennkammer,
die dem Brenner am nächsten
liegen. Dementsprechend wird es möglich, das Kühlwasser,
das von den Ausgabeöffnungen
ausgegeben wurde, auf die gesamten inneren Oberflächen der
Hitzekammer so aufzusprühen,
dass eine durch Hitze auf die Hitzekammer einwirkende Beschädigung zuverlässig vermieden werden
kann.
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Aus
den so beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
wird ersichtlich, dass verschiedene Abänderungen, Modifikationen und
Verbesserungen dem Fachmann gleich in den Sinn kommen werden. Derartige
Abänderungen,
Modifikationen und Verbesserungen sind, auch wenn sie nicht explizit
oben beschrieben wurden, als innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung,
wie er in den anhängenden
Ansprüchen
definiert ist, umfasst angesehen. Dementsprechend ist die oben angegebene Diskussion
nur für
darstellende Zwecke vorgesehen; die Erfindung wird dagegen ausschließlich durch
die nachfolgenden Ansprüche
und deren Äquivalente begrenzt
und definiert.