Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die
Minimierung von NOx Erzeugung in Gasturbinen-Brennkammern und sie
betrifft insbesondere die Verringerung von NOx Emissionen,
indem ein kleiner Teil von Verbrennungsluft stromaufwärts von
dem Vormischerabschnitt der Brenukammer in die
Brennstoffleitungen gemischt wird. Das Dokument Patent Abstracts von
Japan, Vol 14, Nr. 198 (M-965), 23. April 1990, beschreibt
einen Gasturbinenbrenner, bei dem ein kleiner Teil der
Verbrennungsluft stromaufwärts von der Brenukammer in die
Brennstoffleitung vorgemischt wird.
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Kohlenwasserstoffe werden in weitem Umfang als
Brennstoffe in Gasturbinenbrennern verwendet. Aufgrund seiner
geplanten, weitverbreiteten Verfügbarkeit ist Erdgas ein
besonders attraktiver Brennstoff für stationäre
Krafterzeugungssysteme. Jedoch führen die Emissionen von der Verbrennung von
Kohlenwasserstoffen zu vielen Umweltproblemen, wie
beispielsweise saurem Regen, Ozonverarmung und dem "Treibhaus"-Effekt.
Nebenprodukte der Verbrennung, die die Atmosphäre
verschmutzen, müssen minimiert werden als Teil eines wachsenden
Interesses für die Qualität der Umgebung. Oxide von Stickstoff
(NOx) sind besonders unerwünschte Nebenprodukte.
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Während der Verbrennung wird NOx teilweise durch
Reaktionen gebildet, die zwischen Atomen von atmosphärischem
Stickstoff und Sauerstoff auftreten. Aufgrund der hohen
Aktivierungsenergie dieser Reaktionen ist die NOx Bildung nicht
signifikant bei Temperaturen unter etwa 1800 K bis 1900 K.
Das Erfordernis hoher Temperaturen hat zu einer Wasser- oder
Dampfinjektion für die NOx Steuerung in konventionellen
(nicht vorgemischten) Brennern geführt. Bei dieser Lösung
absorbiert das injizierte Wasser oder der Dampf Wärme, senkt
die Spitzentemperaturen unter den Schwellenwert für die NOx
Bildung und verringert so die NOx Bildung. Jedoch ist diese
Lösung teuer in bezug auf Wasser oder Dampf, kann Korrosion
bewirken und kann die Emissionswerte von Kohlenmonoxid
erhöhen. Eine andere übliche Lösung, das Injizieren von
thermischem Denox (deNOx) auf Ammoniakbasis in die Abgasströmung,
minimiert NOx, aber dieses Verfahren ist sehr teuer in bezug
auf Kapitalausrüstung und Prozessammoniak.
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Die magere vorgemischte Verbrennung von gasförmigen
Kohlewasserstoffen ist eine attraktive Lösung, weil sie eine
relativ saubere Verbrennung bietet ohne das Erfordernis für
eine Nachverbrennungsbehandlung der Abgase. Üblicherweise
wird eine magere vorgemischte Verbrennung erreicht durch
Vormischen von Brennstoff und Luft unmittelbar stromaufwärts von
der Flammenstabilisierung (in einem Abschnitt der
Brennkammer, der Vormischerabschnitt genannt wird), um ein Gemisch
auf der mageren Seite des stöchiometrischen Verhältnisses zu
bilden. Die Wirkung der Vormischung besteht darin, die
Temperatur, bei der das Gemisch brennt, zu senken und hoffentlich
zu minimieren, wodurch die NOx Erzeugung verringert wird, die
temperaturempfindlich ist. Allgemein gilt, je magerer das
Gemisch, desto kleiner wird die Verbrennungstemperatur sein.
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Die Vormischerabschnitte von Brennkammern, die in der
Industrie verwendet werden, erreichen üblicherweise kein
vollständiges Mischen des gasförmigen Brennstoffes und der
Luft, wodurch höhere Werte von NOx entstehen. Es sind
Bemühungen versucht worden, die "Vermischtheit" von Brennstoff
und Luft in dem Vormischer zu verbessern, indem Geometrien
und Strömungsmuster verändert wurden. Praktische
Konstruktionen sind jedoch eingeschränkt durch Faktoren, wie zulässige
Druckabfallgrenzen und räumliche Begrenzungen. Trotz
Verbesserungen in Vormischerkonstruktionen besteht im allgemeinen
ein gewisses unvollständiges Mischen. Unvollständiges Mischen
führt zu Ungleichförmigkeiten und Fluktuationen in
Brennstoffkonzentrationswerten während einer mageren vorgemischten
Verbrennung. Derartige Ungleichförmigkeiten und Fluktuationen
bewirken eine erhöhte NOx Erzeugung, weil die NOx Erzeugung
nicht-linear mit der Brennstoffkonzentration zunimmt.
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Beispielsweise fügt eine Fluktuation oberhalb der
durchschnittlichen Brennstoffkonzentration mehr NOx hinzu als eine
gleiche Fluktuation unterhalb der durchschnittlichen
Brennstoffkonzentration wegnimmt. Die resultierende Wirkung ist,
daß Fluktuationen mehr NOx er zeugen als wenn die Verbrennung
bei einer konstanten Brennstoffkonzentration durchgeführt
würde. In ähnlicher Weise tragen ungleichförmige mittlere
Profile zu mehr NOx bei.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, NOx Emissionen zu
verringern, indem Fluktuationen und Ungleichförmigkeiten in den
Brennstoffkonzentrationswerten von
Brennstoff/Luft-Verbrennungsgemischen minimiert werden.
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Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, NOx
Emissionen in einer mageren vorgemischten Verbrennung zu
verringern, indem ein kleiner Teil der Luft mit dem Brennstoff
stromaufwärts von der Vormischstufe gemischt wird.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine NOx
Verringerung in einer mageren vorgemischten Verbrennung zu
schaffen, die unabhängig von der Brennkammerkonstruktion ist
und keine größere Umgestaltung der Brennkammer erfordert.
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Gemäß einen ersten Aspekt der Erfindung wird eine
Gasturbineneinrichtung geschaffen enthaltend eine Brennkammer
mit einen Verbrennungsabschnitt und einem Vormischabschnitt
stromaufwärts von dem Verbrennungsabschnitt und getrennt von
dem Verbrennungsabschnitt durch einen Flammstabilisierer;
einen Lufteinlaß und eine Brennstoffleitung, wobei der
Vormischabschnitt erste und zweite Einlässe aufweist und die
Brennstoffleitung mit dem ersten Einlaß und der Lufteinlaß
mit dem zweiten Einlaß verbunden sind; und eine Einrichtung
zum Ableiten eines Teils der Lufteinströmung von dem
Lufteinlaß und zum Injizieren der Luft in die Brennstoffleitung
stromaufwärts von dem Vormischabschnitt, wodurch vor der
Injektion in den Vormischabschnitt der Brennkammer Luft mit
Brennstoff gemischt wird, um die Erzeugung von NOx zu
verkleinem.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein
Verfahren geschaffen zum Verringern von NOx Emissionen aus
einer Gasturbinen-Brennkammer mit einem Vormischabschnitt, in
den vorgemischter Brennstoff und Luft und verbleibende Luft
für eine weitere Mischung injiziert werden, dadurch
gekennzeichnet, daß etwa eins bis zehn Prozent der gesamten
Luftmenge in den Brennstoff vorgemischt werden vor einer
Injektion des Brennstoffes in den Vormischerabschnitt.
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Somit verwendet die Erfindung ein Verfahren, das als
"Vorsprung-Teilvormischen" bezeichnet wird. Vorsprung (head
start)-Teilvormischen verringert NOx Emissionswerte von einer
Gasturbinen-Brennkammer, indem ein kleiner Teil von Luft
(üblicherweise etwa eins bis zehn Prozent der gesamten
Verbrennungsluftversorgung) vor der Injektion in die Brennkammer
in die Brennstoffleitung gemischt wird. Obwohl eine
nichtvormischende Brennkammer möglich ist, stellt die Erfindung
vorzugsweise eine Gasturbineneinrichtung bereit, die eine
Brennkammer mit einem Vormischerabschnitt zum Mischen von
Brennstoff und Luft aufweist. Eine Brennstoffleitung ist mit
einem ersten Einlaß für eine Zufuhr von Brennstoff in den
Vormischerabschnitt verbunden, und eine Quelle für Luft ist
mit einem zweiten Einlaß des Vormischerabschnittes verbunden.
Eine Einrichtung zum Injizieren von Luft in die
Brennstoffleitung stromaufwärts von dem Vormischerabschnitt weist eine
Einrichtung auf zum Ableiten eines kleinen Teils der Luft von
der Luftquelle zu der Brennstoffleitung.
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Die Erfindung ist mit jeder Brennkammer verwendbar,
die ein nicht perfektes Mischen hat, unabhängig von ihrer
Konstruktion. Weiterhin erfordert die Erfindung keine teuren
Abwandlungen der Brennkammer. Die Erfindung stellt kein
Sicherheitsproblem dar, weil das Vorsprung-Teilvormischen
relativ weit stromaufwärts von der Brennkammer auftritt und
das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennstoffleitung sehr
fett (jenseits der Entflammbarkeitsgrenze) gehalten wird und
deshalb nicht brennbar ist.
Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten
anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Figur 1 eine schematische Ansicht von einer üblichen
Brennkammer mit vorgemischter Verbrennung ist;
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Figur 2 eine schematische Ansicht von der Brennkammer
gemäß der Erfindung ist;
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Figur 3 ein Kurvenbild ist und experimentelle mitt
lere Brennstoffkonzentrationen vergleicht;
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Figur 4 ein Kurvenbild ist, das experimentelle
"Unvermischtheits"-Werte vergleicht; und
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Figur 5 ein Kurvenbild ist, das experimentelle NOx
Emissionswerte vergleicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf dem Konzept, daß ein
Mischen eines kleinen Teils der Luft mit Brennstoff vor der
Injektion in den Vormischabschnitt von einer Brenukammer die
NOx Erzeugung minimiert, indem Fluktuationen und
Ungleichförmigkeiten in dem resultierenden mittleren
Brennstoffkonzentrationswert des Gemisches des Vormischerabschnittes gesenkt
werden. Die hinter diesem Konzept stehende Theorie wird
dadurch aufgezeigt, daß eine typische Vormisch-Brennkammer mit
der Brennkammer gemäß der Erfindung verglichen wird.
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Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung von einer
üblichen Brennkammer 10 zum Ausführen einer mageren
vorgemischten Verbrennung. Die Brennkammer 10 hat einen
Vormischerabschnitt 11, wo injizierter Brennstoff und Luft
gemischt werden, und einen Verbrennungsabschnitt 12, wo das
Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt wird. Ein
Flammstabilisierer
13 trennt die Verbrennungs- und Vormischerabschnitte.
Zwei Eingangsöffnungen 14 und 15 bilden Einlässe zu dem
Vormischerabschnitt 11. Diese Öffnungen können in irgendeiner
bekannten Weise konfiguriert sein. Eine Brennstoffleitung 16
ist mit der zweiten Eingangsöffnung 15 verbunden, um dem
Vormischerabschnitt Brennstoff zuzuführen. Eine zweite Leitung
17 ist mit der ersten Eingangsöffnung 14 verbunden. Die
zweite Leitung 17 liefert Luft an den Vormischerabschnitt 11
durch die erste Eingangsöffnung.
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Die volumetrische Brennstoffkonzentration von einer
Strömung, die durch die erste Eingangsöffnung 14 geliefert
wird, ist durch C&sub1; gegeben, und die volumetrische
Brennstoffkonzentration von einer Strömung, die durch die zweite
Eingangs-ffnung 15 geliefert wird, ist durch C&sub2; gegeben. Da die
Strömung durch die erste Eingangsöffnung 14 vollständig Luft
ist und die Strömung durch die zweite Eingangsöffnung
vollständig Brennstoff ist, ist C&sub1; = 0 und C&sub2; = 1. Die
resultierende mittlere Brennstoffkonzentration des Gemisches der zwei
Strömungen ist durch C gegeben, wobei
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C&sub1; ≤ C ≤ C&sub2;.
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Die maximale Abweichung (Varianz) ²max in der
resutierenden mittleren Brennstoffkonzentration C des Gemisches
des Vormischerabschnitts ist gegeben durch:
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²max (C&sub2; - C) (C - C&sub1;). (1)
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Die Varianz ist eine Anzeige für die Größe der
Fluktuationen in der Brennstoff-Luft-Konzentration. Als ein
Beispiel sei ein Verbrennungsprozeß betrachtet, wo der
Brennstoff Methan ist. Für Methan ist die mittlere
Nettobrennstoffkonzentration gegeben durch:
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wobei φ das Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis ist.
Für den Fall, wo das Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis 0,5
beträgt, wird C etwa 0,05 betragen und die Lösung von
Gleichung 1 ergibt ²max = 0,0475.
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In Figur 2 ist die Brennkammer 20 gemäß der Erfindung
schematisch gezeigt. Wie die Brennkammer 10 gemäß Figur 1 hat
die Brennkammer 20 einen Vormischerabschnitt 21, wo
injizierter Brennstoff und Luft gemischt werden, und einen
Verbrennungsabschnitt 22, wo das Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt
wird. Ein Flammstabilisierer 23 trennt die Verbrennungs- und
Vormischerabschnitte. Zwei Eingangsöffnungen 24 und 25 bilden
Einlässe zu dem Vormischerabschnitt 21. Eine
Brennstoffleitung 26 ist mit der zweiten Eingangsöffnung 25 verbunden, um
dem Vormischerabschnitt Brennstoff zuzuführen. Eine zweite
Leitung 27 ist mit der ersten Eingangsöffnung 24 verbunden.
Die zweite Leitung 27 ist in zwei Zweige 28 und 29 geteilt.
Der erste Zweig 28 liefert einen kleinen Prozentsatz X von
der gesamten Luft aus der Leitung 27 zu der Brennstoffleitung
26, wodurch der kleine Luftanteil mit dem Brennstoff vor der
Injektion in den Vormischerabschnitt 21 gemischt wird. Der
Rest der Luft aus der Leitung 27 wird dem Vormischerabschnitt
direkt zugeführt über den zweiten Zweig 29, der mit der
ersten Eingangsöffnung 24 verbunden ist.
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Es wird nun wieder das obige Beispiel des Verbrennens
von Methan bei einem Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis von
0,5 betrachtet, wobei ein Vorsprung-Vormischen in der
Brennkammer 20 verwendet wird. Es sei angenommen, daß das
Luftvolumen, das von der zweiten Leitung 27 zu der
Brennstoffleitung 26 abgeleitet wird, fünf Prozent der Gesamtmenge
beträgt. Nun ist die Strömung durch die erste Eingangsöffnung
24 weiterhin vollständig Luft, aber die Strömung durch die
zweite Eingangsöffnung ist ein Gemisch von Brennstoff und
Luft. Da für ein Äquivalenzverhältnis von 0,5 die mittlere
Nettobrennstoffkonzentration C etwa 0,05 beträgt, ist das
Gemisch von Brennstoff und Luft, das durch die zweite
Eingangsöffnung 25 injiziert wird, halb Brennstoff und halb Luft.
Somit
sind C&sub1; = 0 und C&sub2; = 0,5 und Gleichung 1 ergibt nun ²max
= 0,0225. Aus diesem Vergleich kann gesehen werden, daß das
Vorsprung-Teilvormischen die maximale Varianz um mehr als 50
Prozent gesenkt hat, was bedeutet, daß Fluktuationen und
Ungleichförmigkeiten vermindert worden sind.
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Die Luftmenge, die in die Brennstoffleitung injiziert
wird, ist teilweise durch Sicherheitsüberlegungen
eingeschränkt. Idealerweise wird möglichst viel Luft hinzugefügt,
da mehr Luft den Wert der Brennstoffkonzentration C&sub2; durch
die zweite Eingangszöffnung senkt, und die maximal mögliche
Varianz steht in direkter Beziehung zu dem Wert von C&sub2;.
Jedoch muß das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennstoffleitung
26 sehr fett gehalten werden, jenseits seiner
Entflammbarkeitsgrenze, oder anderenfalls konnte in der
Brennstoffleitung eine Verbrennung auftreten; das Hinzufügen von zu viel
Luft zu der Brennstoffleitung könnte ein entflammbares
Gemisch erzeugen. Andere Überlegungen enthalten praktische
Aspekte der Systemkonstruktion, wie beispielsweise
erforderliche Änderungen in Brennstoffleitungen und
Brennstoffinjektoren und irgendeine zusätzliche Luftkompression, die vor dem
Injizieren abgeleiteter Luft in die Brennstoffleitung
erforderlich ist. Im allgemeinen wird eine Menge in dem Bereich
von etwa eins bis 10 Prozent der gesamten Luftmenge für
praktikabel gehalten.
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Der erste Zweig 28 sollte so angeordnet sein, daß der
kleine Teil von Luft in die Brennstoffleitung 26 an einem
Punkt weit stromaufwärts von der Brennkammer 20 injiziert
wird. Der Abstand von der Brennkammer hilft nicht nur eine
Verbrennung in der Brennstoffleitung zu verhindern, sondern
die wesentliche Strecke, die das Brennstoff/Luft-Gemisch
durch die Brennstoffleitung wandern muß, hat auch ein inniges
Mischen zur Folge.
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Figuren 3 - 5 zeigen die Ergebnisse von Experimenten,
die ausgeführt wurden, um das Konzept der Erfindung zu
testen. Ein erstes Experiment wurde mit einer Vorrichtung im
Labor-Maßstab ausgeführt, die aus einer Vormischerröhre und
einer Verbrennungsröhre besteht, die an entsprechenden Enden
miteinander verbunden sind. Ein zentraler Strahl war koaxial
in dem entfernten Ende von dem Vormischerrohr angeordnet.
Eine Zufuhr von Luft zu dem Vormischerrohr war an einem Punkt
stromaufwärts von dem zentralen Strahl vorgesehen. Die
Verbindungsstelle der zwei Röhren diente als der
Flammstabilisierungsort. Während des Betriebs wurden die mittleren und
fluktuierenden Brennstoffkonzentrationen an der Ausgangsebene
von dem Vormischer gemessen, und NOx Emissionsdaten wurden
mit einem Beckman NOx Analysierer genommen, der stromabwärts
in dem Verbrennungsrohr angeordnet war.
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Es wurden zwei Verbrennungsprozesse durchgeführt. In
beiden Fällen wurde Methan für den Brennstoff verwendet, und
das Äquivalenzverhältnis betrug 0,5. In der ersten
Versuchsreihe wurde Methan durch den zentralen Strahl injiziert, und
in dem Vormischerrohr wurde eine Luftströmung geleifert. Als
nächstes wurden fünf Volumenprozent der Luftströmung von dem
Vormischerrohr in den Strahl abgeleitet. Der zentrale Strahl
war dann im wesentlichen ein 50-50 Gemisch von Luft und
Methan. Dies stellt das Vorsprung-Teilvormischkonzept gemäß der
Erfindung dar. Für eine Referenz wurden Daten gesammelt, die
einen im wesentlichen perfekt gemischten Fall darstellen. (Es
sei darauf hingewiesen, daß die Labortechnik, die zum
Erzeugen der idealen Vormischdaten verwendet wurde, in einer
tatsächlichen Gasturbineneinrichtung nicht realisiert werden
konnten.) In den Figuren 3 - 5 entsprechen Kreise Daten für
den idealen vorgemischten Fall, Quadrate entsprechen Daten
von der ersten Versuchsreihe und Dreiecke entsprechen Daten
aus der Versuchsreihe, die das Vorsprung-Teilvormischen
verwendet.
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Figur 3 zeigt eine Kurvendarstellung, in der die
volumetrische mittlere Brennstoffkonzentration ab Ende der
Vormischerröhre über dem radialen Abstand z von der
Längsachse der Vormischerröhre darstellt, dimensionslos
gemacht durch den Durchmesser der Vormischerröhre Dp. Das
Konzentrationsprofil,
wo ein Brennstoff/Luft-Gemisch durch den
Mittelstrahl injiziert wurde, war gleichförmiger und näher an
dem gemischten Idealfall als das Konzentrationsprofil, wo nur
Brennstoff durch den Mittelstrahl injiziert wurde.
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Figur 4 zeigt ein Kurvenbild, in dem der
"Unvermischtheits"-Wert über dem radialen Abstand z von der
Längsachse der Vormischerröhre aufgetragen ist, dimensionslos
gemacht durch den Durchmesser der Vormischerröhre Dp. Der
"Unvermischtheits"-Wert ist definiert als die Varianz der
Brennstoff-Luft-Konzentration, dimensionslos gemacht durch
den Wert (1-C)C. (Es sei darauf hingewiesen, daß der am
stärksten ungemischte Fall derjenige ist, daß die Varianz
gleich (1-C)C ist. Deshalb würde eine Unvermischtheit von 1
dem stärksten ungemischten Fall entsprechen, und eine
Unvermischtheit von 0 würde dem am stärksten gemischten Fall
entsprechen.) Das Kurvenbild zeigt, daß die Verbrennungsreihe
unter Verwendung des Vorsprung-Teilvormischens einen
kleineren Unvermischtheitswert hatte als die Verbrennung ohne
Vorsprung-Teilvormischen.
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Figur 5 stellt in einem Kurvenbild die NOx Erzeugung
in Teilen pro Millionen über der radialen Sondenposition Zp
dar, dimensionslos gemacht durch den Durchmesser der
Verbrennungsröhre Dc. Hier zeigt das Kurvenbild, daß die Verwendung
des Vorsprung-Teilvormischens für eine wesentliche
Verbesserung bei den NOx Emissionen sorgt.
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Ein zweites Testverfahren wurde mit einer
Einbecher-Brennkammer wahrer Größe durchgeführt. Der verwendete
Brennstoff war Erdgas; das Luft-Brennstoff-Massenverhältnis betrug
etwa 1 (Volumenverhältnis von etwa 0,56), entsprechend einer
Ableitung von etwa zwei Prozent der Verbrennungsluftströmung.
Die Ergebnisse zeigten, daß Verkleinerungen der NOx
Emissionen von etwa 20 - 25 Prozent von einem Anfangswert von 30
Teilen pro Million möglich waren.
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Vorstehend wurde die Verringerung der NOx Erzeugung
in Gasturbinen-Brennkammern beschrieben, indem ein kleiner
Teil der Luft vor der Injektion in den Vormischerabschnitt
der Brennkammer in die Brennstoffversorgung injiziert wird.
Die Erfindung kann ohne signifikante Modifikation an der
Brennkammer implementiert werden und ist unabhängig von der
Brennkammerkonstruktion verwendbar.