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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Gasturbinen und insbesondere verbesserte Verfahren
und Vorrichtungen zum Kühlen
der Brennkammer und der Verbrennungsgase einer Gasturbine.
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Es
ist wichtig, eine Kühlung
der Brennkammer und der Verbrennungsgase einer Gasturbine vorzusehen,
um die Brennkammer, die Turbine und die Leitungen für das Verbrennungsgas
der Turbine unterhalb der Temperatur zu halten, bei der thermisches
Versagen auftritt und um die Bildung von Stickoxiden (NOx) zu begrenzen. Verschiedene Verfahren und
Vorrichtungen wurden in der Vergangenheit verwendet, um eine Brennkammer-
und Verbrennungsgaskühlung
zu erreichen, dazu gehören
das Durchleiten von Kühlluft über und
durch die Brennkammer, das Einspritzen von Dampf in die Kühlluft der
Brennkammer, das Einspritzen von Sprühwasser in die Kühlluft der
Brennkammer, sowie Kombinationen dieser Verfahren und Vorrichtungen.
Obwohl diese Verfahren nach dem Stand der Technik zur Absenkung der
Temperatur der Brennkammer und der Verbrennungsgase sinnvoll sind,
wird die Kühlung
auf Kosten von Verlusten im gesamten Turbinensystem erreicht, da
die zum Zuführen
des Primärkühlmittels,
nämlich Luft,
erforderliche Arbeit unangemessen hoch und die rückführbare Energiemenge bei den
zulässigen kleinen
Dampf- und/oder Wassereinspritzraten vernachlässigbar gering ist.
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In
der
US 2 359 108 ist
eine Vorrichtung offenbart, die einen Brennraum zum Zusammenwirken mit
einer Dampfturbine umfaßt.
Der rohrförmig
ausgebildete Brennraum umfaßt
beabstandete Innen- und Außenwände, um
einen Mantel für
Wasser bereitzustellen, das von den im Brennraum erzeugten Verbrennungsgasen
erhitzt wird. Ein Ende des Brennraums ist begrenzt, um einen Anschlußstutzen vorzusehen,
der mit einer sich erweiternden Auslaßöffnung verbunden ist. Eine
Mehrzahl von längs
ausgerichteten Düsen,
die in einer konzentrisch ringförmigen
Anordnung zu der Auslaßöffnung vorgesehen sind,
läßt das Wasser
außerhalb
der Brennraumauslaßöffnung heraussprühen. Im
Innern des Brennraums auf der gegenüberliegenden Seite der Auslaßöffnung ist
eine Düse
zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum vorgesehen. Darüber hinaus
ist an dem gegenüber
der Auslaßöffnung liegenden
Ende ein Rohr vorgesehen, um unter Druck stehende Luft in den Brennraum
einzuleiten.
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Die
US 3 238 719 offenbart eine
Gasturbine mit einer Brennkammer. Die Brennkammer umfaßt einen
Brennraum und einen Brenner, die benachbart zu einem Ende des Brennraums
angeordnet sind. Ein Auslaß ist
am gegenüberliegenden
Ende des Brennraums vorgesehen, um Verbrennungsprodukte an die Turbine
abzugeben. Eine ringförmige
Kühlkammer
umgibt den Brennraum, wobei eine Einlaßöffnung zum Einlaß von Kühlmittel
vorgesehen ist. Das Kühlmittel
wird um die Brennkammerwände
des Brennraums herum verteilt. Es bleibt durch den wischenden Kontakt
mit den Brennkammerwänden
im flüssigen
Zustand, wodurch ein beträchtlicher
Wärmeübergang
erfolgt. Das Kühlmittel
strömt
durch Öffnungen
in den Wänden
nach radial innen während
es im flüssigen
Zustand ist und verdampft radial innerhalb der Wände.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung dient der Bereitstellung einer verbesserten
Gasturbinenanordnung.
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Insbesondere
ist diese Erfindung auf die Bereitstellung einer verbesserten Brennkammer
für eine Gasturbinenanordnung
gerichtet.
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Noch
genauer ist es die Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und eine verbesserte Vorrichtung zum Kühlen der Brennkammer und der
Verbrennungsgase einer Gasturbinenanordnung vorzuschlagen.
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Die
Erfindung offenbart ein Verfahren zum Kühlen der Brennkammer und der
Verbrennungsgase einer Gasturbinenanordnung des Typs, der eine Turbine
und eine Brennkammer umfaßt,
die so gestaltet ist, daß sie
ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aufnimmt und Verbrennungsprodukte innerhalb
der genannten Brennkammer zur Weiterleitung an die Turbine erzeugt.
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Erfindungsgemäß wird ein
Fluid von einer Pumpe zur Brennkammer gefördert und in eine Wärmeaustauschbeziehung
zu den Verbrennungsprodukten innerhalb der Brennkammer gebracht,
so daß das
Fluid thermische Energie von den Verbrennungsprodukten aufnimmt,
wobei das Fluid anschließend
in den Brennraum eingespritzt wird, um sich mit den Verbrennungsprodukten
zu vermischen, damit es als Gas mit den Verbrennungsprodukten zur
Turbine weitergeleitet wird. Das Fluid wird an einem Ende des Brennraums
im flüssigen
Zustand bei niedriger Temperatur zugeführt, in einer ringförmigen Kühlkammer, die
den genannten Brennraum umgibt, in ein Gas oder Dampf höherer Temperatur
umgewandelt und im Zustand der Gas- oder Dampfphase höherer Temperatur in den Brennraum
eingespritzt. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine Brennkammerkühlung mit einem
Minimum an Energieverlusten im gesamten System, wodurch der Gesamtwirkungsgrad
des gesamten Systems maximiert wird.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die Brennkammer
einen zentralen Brennraum zur Aufnahme der Verbrennungsprodukte
sowie eine ringförmige
Kühlkammer,
die den zentralen Brennraum umgibt und mit Öffnungen versehen ist, die
mit dem zentralen Brennraum kommunizieren; der Schritt, das Fluid
in eine Wärmeaustauschbeziehung
mit der Verbrennung zu bringen, umfaßt die Zuführung des Fluids in seiner
Flüssigphase
mit niedriger Energie zu der ringförmigen Kühlkammer; das Überführen des
Fluids auf ein höheres
Energieniveau erfolgt in der ringförmigen Kühlkammer; und der Schritt der
Fluideinspritzung in die Brennkammer umfaßt das Hindurchtreten des Fluids
in seinem relativ hohen Energiezustand durch die Öffnungen
in den zentralen Brennraum hinein.
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Gemäß einem
weiteren Erfindungsmerkmal weist die Turbinenanordnung eine Welle
auf, die durch die Turbine angetrieben wird, sowie eine Pumpe, die
von der Welle angetrieben wird, wobei das Fluid mittels der Pumpe
zur Brennkammer gefördert wird.
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Die
Erfindung schlägt
auch eine verbesserte Brennkammer zur Erzeugung von Verbrennungsprodukten
zur Weiterleitung an die Gasturbine vor. Die verbesserte Brennkammer
umfaßt
einen zentralen Brennraum, der eine Mittelachse definiert; einen Brenner,
der so positioniert ist, daß er
Verbrennungsprodukte zu einem Ende des Brennraums abgibt; einen
Auslaß am
gegenüberliegenden
Ende des Brennraums, um der Turbine Verbrennungsprodukte zuzuführen; eine
ringförmige
Kühlkammer,
die den zentralen Brennraum umgibt; eine Eintrittsöffnung in der
Kühlkammer
zum Einlassen eines Kühlfluids
sowie eine Mehrzahl von Öffnungen,
die eine Verbindung zwischen der Kühlkammer und dem zentralen Brennraum
herstellen. Diese Brennkammergestaltung ermöglicht es, das Kühlfluid
in eine Wärmeaustauschbeziehung
mit der Brennkammer zu versetzen, so daß von den Verbrennungsprodukten
stammende thermische Energie innerhalb der Brennkammer absorbiert
wird, bevor das Fluid durch die Öffnungen,
die die Kühlkammer
und den zentralen Brennraum miteinander verbinden, in den Brennraum
eingespritzt wird. Die Brennkammer ist so gestaltet, daß das Kühlfluid
in flüssiger
Phase bei niedriger Temperatur der ringförmigen Kühlkammer zugeführt, innerhalb
der ringförmigen
Kühlkammer
in eine Gasphase erhöhter
Temperatur überführt und
als Gas mit erhöhter
Energie in den Brennraum eingespritzt wird.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist die Brennkammer so angeordnet,
daß ihre Mittelachse
im allgemeinen vertikal ist; der Brenner in unmittelbarer Nähe zu dem
unteren Ende des Brennraums vorgesehen ist; der Auslaß sich in
unmittelbarer Nähe
zu dem oberen Ende des Brennraums befindet; und daß die Eintrittsöffnung in
der Kühlkammer
in unmittelbarer Nähe
zu dem unteren Ende des Brennraums vorgesehen ist. Diese spezifische
Anordnung und Ausrichtung der Brennkammer ermöglicht es, das Kühlfluid
in eine Wärmeaustauschbeziehung
mit dem Brennraum zu setzen.
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Die
Erfindung stellt darüber
hinaus eine verbesserte Gasturbinenanordnung bereit. Die verbesserte
Gasturbinenanordnung umfaßt
eine Turbine, die eine Welle antreibt; eine Brennkammer, die dazu dient,
Verbrennungsprodukte zur Abgabe an die Turbine zu erzeugen; eine
Kühlflüssigkeitsquelle;
sowie eine Pumpe, die von der Turbinenwelle angetrieben wird und
einen Einlaß aufweist,
der mit der Flüssigkeitsquelle
verbunden ist sowie einen Auslaß,
der mit der Kühlkammer
der Brennkammer verbunden ist. Die Gasturbinenanordnung ist so gestaltet,
daß das Kühlfluid
in flüssiger
Phase bei niedriger Temperatur zur ringförmigen Kühlkammer zugeführt wird
und es in eine Gasphase höherer
Temperatur innerhalb der ringförmigen
Kühlkammer überführt wird
und daß das
Fluid in einer Gasphase höherer
Temperatur in den Brennraum eingespritzt wird. Diese Anordnung ermöglicht es,
der Brennkammer eine Kühlflüssigkeit mittels
einer durch die Turbine angetriebenen Pumpe zuzuführen, um
den Gesamtwirkungsgrad der Anordnung zu erhöhen.
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In Übereinstimmung
mit einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal
umfaßt
die Brennkammer einen zentralen Brennraum und eine ringförmige Kühlkammer,
die den zentralen Brennraum umgibt und mit dem Brennraum durch eine
Mehrzahl von Öffnungen
verbunden ist; der Pumpenauslaß ist
dabei über
Leitungsmittel mit der Kühlkammer
der Brennkammer verbunden; und die Anordnung umfaßt darüber hinaus
einen Wärmetauscher
in den Leitungsmitteln, wobei der Wärmetauscher Ausstoß von der
Turbine erhält.
Diese Anordnung gestattet es, den Energiegehalt des Kühlfluids
mit Hilfe der Abfallprodukte der Turbine zu erhöhen.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt die Anordnung auch Mittel,
um dem durch die Leitungsmittel fließenden Fluid weitere Energie
zuzuführen.
In der offenbarten Ausführung
der Erfindung umfassen die energiezuführenden Mittel einen Kessel,
der in der Leitung angeordnet ist, die die Pumpe mit der Kühlkammer
der Brennkammer verbindet.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht mit Teilschnitt einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanordnung;
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2 ist
eine schematisierte Ansicht der Gasturbinenanordnung nach 1;
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3 ist
eine schematisierte Ansicht einer modifizierten Form der Gasturbinenanordnung,
die nicht erfindungsgemäß konstruiert
ist; und
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4 ist
eine schematisierte Ansicht einer weiteren modifizierten Form der
Gasturbinenanordnung, die nicht erfindungsgemäß konstruiert ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführung
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Jede
der Ausführungsformen
der Erfindung ist von der Art, die folgendes umfaßt: eine
Turbine 10 bekannten Typs mit einem Einlaß 10a und
einem Auslaß 10b;
eine Brennkammer, die so gestaltet ist, daß sie dem Einlaß 10a der
Turbine Verbrennungsprodukte zuführt
und damit die Turbine antreibt; einen durch die Welle 16 der
Turbine angetriebenen Kompressor 14, der einen mit einer
Brennstoffquelle verbundenen Einlaß 14a sowie einen
Auslaß 14b umfaßt, um den
Brennstoff in verdichteter Form an die Brennkammer abzugeben; sowie
einen Kompressor 18, der durch die Welle 16 angetrieben
wird und einen mit einer Luftquelle verbundenen Einlaß 18a aufweist
sowie einen Auslaß 18b,
um die Druckluft zur Brennkammer zur Vermischung mit dem vom Kompressor 14 kommenden
Brennstoff weiterzuleiten, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zur Verbrennung
in der Brennkammer bereitzustellen, um Verbrennungsprodukte zur
Abgabe an die Turbine zu erzeugen, die die Turbine antreiben.
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Die
Erfindung stellt eine verbesserte Brennkammer 12 sowie
verbesserte Mittel zum Kühlen
der Brennkammer bereit.
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Die
erfindungsgemäße Brennkammer
weist eine im allgemeinen zylindrische Konfiguration auf und definiert
eine zentrale Vertikalachse 20. Die Brennkammer 12 umfaßt eine
zylindrische Außenwand 12a,
eine runde Deckenwand 12b, eine runde Bo denwand 12c,
eine innere Zylinderwand 12d, die einen zentralen zylinderförmigen Brennraum 22 definiert
und konzentrisch mit der Außenwand 12a zusammenwirkt,
um eine ringförmige
Kühlkammer 24 zu
bilden; eine Mehrzahl von Öffnungen 12e in
der Innenwand 12d, die für einen Austausch zwischen
der ringförmigen
Kühlkammer 24 und
dem zentralen Brennraum 22 sorgen; eine zentrale Auslaßöffnung 12f in
der Deckenwand 12b; eine Öffnung 12g in der Bodenwand 12c innerhalb
der ringförmigen
Kühlkammer 24,
sowie einen Brenner 26, der mittig in der Bodenwand 12c angeordnet
ist. Die Öffnungen 12e sind
in vertikal voneinander beabstandeten Reihen angeordnet, wobei jede
Reihe eine Mehrzahl von gleichmäßig umfangsverteilten Öffnungen
umfaßt. Die
Reihen von Öffnungen
beginnen im mittleren Bereich der Innenwand 12d und erstrecken
sich nach oben zu einer höchsten
Reihe in unmittelbarer Nähe der
Auslaßöffnung 12f,
das heißt,
es sind keine Öffnungen
im unteren Bereich 12h der Innenwand 12d vorhanden.
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Der
Brenner 26 stellt eine Vorkammer für die Brennkammer 12 in
dem Sinne dar, daß der
eigentliche Verbrennungsprozeß innerhalb
des Brenners 26 stattfindet, bei dem die über eine
Leitung 28 vom Kompressor 18 dem Brenner zugeführte Luft
und der über
die Leitung 30 vom Verdichter 14 dem Brenner zugeführte Brennstoff
verwendet werden. Der Brennstoff und die Luft werden im Brenner
vermischt und innerhalb des Brenners verbrannt, um die Flammenfront 32 innerhalb
des zentralen Brennraums 22 zu bilden. Der Brenner 26 kann
von unterschiedlicher Bauart sein und kann zum Beispiel ein Gehäuse 26a und
eine durch elektrische Leiter 34 bereitgestellte Elektrode 26b umfassen
und in der bekannten Weise arbeiten, um das Brennstoff/Luft-Gemisch
innerhalb des Gehäuses 26a zur
Abgabe in den Brennraum 22 zu verbrennen und die Flammenfront 32 zu
erzeugen. Der Brenner 26 kann beispielsweise einen Gas-, Kohlen-
oder Ölbrenner
umfassen, der bei der Maxon Corporation in Nunci, Indiana unter
der Teile-Nr. WR-3 erhältlich
ist. Es versteht sich, daß,
während die
anfängliche
Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches im Brenner 26 erfolgt,
das Nachbrennen auch im Brennraum 22 stattfindet. Die Auslaßöffnung 12f der
Brennkammer ist über
eine Haube 36 und eine Leitung 38 mit dem Einlaß 10a der
Turbine 10 verbunden, so daß die im Brennraum 22 erzeugten Verbrennungsprodukte
zum Turbineneinlaß befördert werden,
um die Turbine anzutreiben.
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Die
Kühlung
der Brennkammer wird durch die Kühlkammer 24 im
Zusammenwirken mit der Pumpe 40 und der Leitung 42 erreicht.
Die Pumpe 40 ist eine Flüssigkeitspumpe und kann unterschiedlicher
Bauart sein, einschließlich
Zahnradpumpen, Kreiskolbenpumpen, Drehkolbenpumpen oder Zentrifugalpumpen.
Eine Zentrifugalpumpe ist dargestellt und umfaßt einen Einlaß 40a,
der mit einer (nicht-dargestellten) Flüssigkeitsquelle, z.B. Wasser,
verbunden ist, sowie ein auf der Welle 16 montiertes Pumpenrad 40b,
das eine Reihe von umfangsverteilten gebogenen Flügeln 40c aufweist.
Es versteht sich, daß bei
Antrieb des Pumpenrades durch die Welle 16 Flüssigkeit
von der Flüssigkeitsquelle
durch den Einlaß 40a angesaugt
wird, zwischen den Flügeln
des Pumpenrades hindurchströmt
und anschließend durch
Zentrifugalkraft nach außen
geschleudert wird, um durch den Pumpenauslaß 40d zu fließen und
in die Leitung 42 zu gelangen.
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Die
Leitung 42 erstreckt sich vom Pumpenauslaß 40b bis
zur Einlaßöffnung 12g in
der Kühlkammer
der Brennkammer, so daß die
Kühlflüssigkeit
von der Pumpe 40 durch die Leitung 42 zur ringförmigen Kühlkammer 24 gefördert wird.
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Während des
stabilen Betriebs der Gasturbinenanordnung werden Brennstoff und
Luft über
Leitungen 30, 28 zur Brennkammer zum Verbrennen
in der Brennkammer gepumpt, um die Flammenfront 32 innerhalb
des Brennraums 22 der Brennkammer zu bilden, die Verbrennungsprodukte
aus dem Brennraum werden dabei über
die Leitung 38 zum Turbineneinlaß transportiert, um die Turbine
anzutreiben und die Turbinenwelle treibt die Pumpe 40 und
die Kompressoren 14 und 18 an, damit diese kontinuierlich
Brennstoff und Luft zur Brennkammer liefern und um darüber hinaus
ein Kühlfluid über Leitung 42 zur ringförmigen Kühlkammer 24 der
Brennkammer zu pumpen.
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Das
Verhalten des Kühlfluids
in der ringförmigen
Kühlkammer
variiert in Abhängigkeit
von dem Druck und der Temperatur, bei der das Fluid der Kühlkammer
zugeführt
wird. Wie in den 1 und 2 gezeigt,
kann der Kühlkammer
beispielsweise konstant Wasser bei 30 bar und 300° Kelvin zugeführt werden,
wobei unter der Annahme, daß der
Brennraum 22 bei 25 bar und 2300° Kelvin an der Flammenfront 32 bei
einer willkürlichen
Verbrennungsrate von 150 Kilowatt betrieben wird, die Größe der Gasturbinenanordnung
so gewählt
werden kann, daß Wasser
im unteren Bereich der ringförmigen
Kühlkammer
unterhalb der untersten Öffnung 12e gehalten
werden kann, um ein ringförmiges
Wasserbad 44 zu bilden. Das Wasserbad 44 absorbiert
die Energie von den Verbrennungsprodukten innerhalb des Brennraums
durch die Innenwand 12d, mit dem Ergebnis, daß das Wasser
in eine Gas- oder Dampfphase 46 überführt wird, die sich in der Kühlkammer 24 über dem
Bad 44 bildet und anschließend durch die Öffnungen 12e in
den Brennraum 22 strömt,
wo sie sich mit den Verbrennungsprodukten innerhalb des Brennraums
vermischt und mit den Verbrennungsprodukten durch die Haube 36 und
die Leitung 38 zum Turbineneinlaß transportiert wird, um die
Turbine anzutreiben.
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Die
von der Flammenfront stammende von der ringförmigen Wassermasse 44 absorbierte
Energie (die die Energie darstellt, um das Wasser von der Flüssig- in
die Gasphase zu überführen) hat
zusammen mit der Kühlwirkung
des Dampfes, wenn er durch die Öffnungen 12e strömt und zu
den Verbrennungsprodukten innerhalb des Brennraums gelangt, zur
Folge, daß die
Temperatur der Verbrennungsprodukte, die die Brennkammer durch die Öffnung 12f verlassen,
auf etwa 1140° Kelvin
reduziert wird. Diese Temperatur ist niedrig genug, um sicherzustellen, daß die Brennkammer
kein thermisches Versagen erleidet und ist ferner niedrig genug,
um zu gewährleisten,
daß keine
signifikante NOx-Bildung innerhalb der Brennkammer
auftritt.
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Die
in 3 dargestellte modifizierte Gasturbinenanordnung
entspricht im allgemeinen der in den 1 und 2 gezeigten
Anordnung, mit der Abweichung, daß die Anordnung in 3 darüber hinaus
einen Wärmetauscher 50 umfaßt, der
in der Leitung 42 vorgesehen und so angeordnet ist, daß er über eine
Leitung 52 den Ausstoß vom
Auslaß 10b der
Turbine erhält
und die Ausstoßprodukte
der Gasturbine in Wärmeaustauschbeziehung
zum Kühlfluid setzt,
das durch Leitung 42 fließt, wodurch dem Fluid Energie
zugeführt
wird, so daß das
Fluid, das am Einlaß 12g der
Brennkammer ankommt, einen höheren Energiegehalt
aufweist als das Fluid, das die Pumpe 40 gerade verläßt.
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Wie
bei der Anordnung nach den 1 und 2 kann
die Beschaffenheit und das Verhalten des Fluids innerhalb der Kühlkammer 24 selektiv
variiert werden, indem wahlweise die Temperatur und der Druck, unter
dem das Kühlfluid über Leitung 42 zur
Kühlkammer
gelangt, verändert
werden. Beispielsweise kann Wasser konstant bei 100 bar und 300° Kelvin zum
Wärmetauscher 50 gepumpt
werden und im Idealfall kann dem Wasser thermische Energie zugefügt werden,
so daß es
bei 100 bar und 584° Kelvin
in die Leitung 42b eintritt, um an die Kühlkammer 24 abgegeben
zu werden. Wenn das Wasser in den Einlaß 12g bei 100 bar
und 584° Kelvin eintritt,
ist die Kühlkammer 24 vollständig mit
Wasser gefüllt,
und wiederum unter der Annahme, daß der Brennraum 22 bei
25 bar und 2300° Kelvin
an der Flammenfront 32 bei einer willkürlichen Verbrennungsrate von
150 Kilowatt betrieben wird, kann die Größe der Gasturbinenanordnung
so gewählt
werden, daß thermische
Energie von der Flammenfront 32 durch die Wand 12d hindurch
absorbiert wird, um die Flammenfront abzukühlen und um die Wassertemperatur
zu erhöhen.
Bei den gegebenen Parametern strömt
das Wasser in dieser Ausführung
in noch flüssiger
Form durch die Öffnungen 12e und
unterliegt unmittelbar bei Eintritt in den Brennraum 22 einem
Phasenwechsel, wodurch der Flammenfront noch mehr Energie entzogen
wird aufgrund der Energie, die nötig
ist, um das Wasser in Gas oder Dampf zu verwandeln, woraufhin das
Gas oder der Dampf durch Auslaßöffnung 12f aus
dem Brennraum strömt, um
mit den Verbrennungsprodukten zum Einlaß der Gasturbine transportiert
zu werden. Bei der in den 1 und 2 gezeigten
Anordnung hat die kombinierte Wirkung der Energie, die von dem in
der ringförmigen
Kühlkammer 24 stehenden
Wasser absorbiert wird, zusammen mit der Energie, die für den Phasenwechsel
des Wassers erforderlich ist, wenn es durch die Öffnungen 12e strömt und auf
die Flammenfront 32 trifft, zur Folge, daß die Brennkammertemperatur
bis zu einem Punkt erniedrigt wird (zum Beispiel 1140° Kelvin an
der Auslaßöffnung 12f),
bei der ein thermisches Versagen der Brennkammer verhindert wird
und sich kein nennenswertes NOx bildet.
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Es
versteht sich, daß in
der Ausführungsform nach 3 die
Durchflußrate
des Kühl(fluids)
so erhöht
werden kann, daß das
Kühlmittel
in flüssiger Form
durch die Öffnungen 12e strömen kann,
woraufhin ein Teil der Flüssigkeit
in Dampf übergehen kann
und ein Teil der Flüssigkeit
durch die Schwerkraft nach unten fließen kann, um Energie aufzunehmen
und Brennstoffrückstände zu entfernen,
wonach die Flüssigkeit
durch eine Drainageöffnung 12i entsorgt
werden kann. Beispielsweise kann durch die Drainageöffnung 12i abfließende Flüssigkeit
490° Kelvin
und 25 bar haben. Die Versorgung der Brennkammer mit Flüssigkeit
im Übermaß und die
Möglichkeit,
daß die überschüssige Flüssigkeit
in der Brennkammer nach unten fließt, um durch die Drainageöffnung 12i abgeführt zu werden,
hat eine abwaschende Wirkung und entfernt, in Abhängigkeit
von dem eingesetzten Brennstoff, insbesondere brennstoffgebundene
Metalle, wie z.B. Blei, Nickel und Vanadium, Mineralstoffe wie Calcium
und Schwefel sowie Verbrennungsprodukte wie Koks, Asche und Ruß.
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Die
Ausführung
der in 4 dargestellten Gasturbinenanordnung entspricht
der in 3 gezeigten, mit der Abweichung, daß die Vorrichtung 54 in
die Leitung 42 so zwischengeschaltet ist, daß sie über Leitung 42c das
aus dem Wärmetauscher 50 herausströmende Kühlfluid
erhält,
bevor das Kühlfluid über die
Leitung 42b zur Kühlkammer 24 geleitet wird.
Die Vorrichtung 54 kann beispielsweise einen Kessel umfassen,
der von einer separaten Energiequelle, z.B. Gas, befeuert wird,
so daß die
Vorrichtung 54 dazu dient, dem durch die Leitung 42 fließendem Fluid
zusätzliche
Energie hinzuzufügen.
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Wie
bei den Ausführungen
nach den 1 und 2 und der
Ausführung
nach 3 kann die Beschaffenheit und das Verhalten des
Fluids innerhalb der Kühlkammer 24 selektiv
variiert werden, indem wahlweise die Parameter des Systems verändert werden.
Beispielsweise können
die Pumpenparameter so gewählt
werden, daß das
Wasser die Pumpe bei 330 bar und 300° Kelvin verläßt; die Parameter des Wärmetauschers 50 können so
gewählt werden,
daß das
den Wärmetauscher
verlassende Wasser 300 bar und 584° Kelvin hat und die Kesselparameter
können
so gewählt
werden, daß überhitzter
Dampf oder Wasserdampf den Kessel 54 verläßt und anschließend bei
673° Kelvin
und 300 bar durch den Einlaß 12g in
die Kühlkammer 24 eintritt.
Bei diesen Parametern ist die Kühlkammer 24 vollständig mit
Wasserdampf oder -gas gefüllt
und da der Dampf oder das Gas in der Kühlkammer 24 vorhanden
ist, absorbiert es Energie von der Flammenfront durch die Innenwand 12d,
wodurch die Temperatur des Dampfes oder Gases in der Kühlkammer
ansteigt, woraufhin das Gas oder der überhitzte Dampf durch die Öffnungen 12e hindurchströmt, um zur
Flammenfront zu gelangen, durch die Auslaßöffnung 12f zu strömen und
mit den Verbrennungsprodukten zum Turbineneinlaß befördert zu werden.
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Wie
bei der in den 1 und 2 gezeigten
Anordnung sowie der Anordnung nach 3 hat die
kombinierte Wirkung der von dem in der ringförmigen Kühlkammer 24 stehenden
Wasser absorbierten Energie zusammen mit der Kühlwirkung des Dampfes, wenn
er durch die Öffnungen 12e strömt und zur
Flammenfront 32 gelangt, zur Folge, daß die Brennkammertemperatur
auf eine Temperatur reduziert wird, die unterhalb der Temperatur
liegt, bei der ein thermisches Versagen der Brennkammer auftritt und
unterhalb der Temperatur, bei der nennenswertes NOx gebildet
wird. Wie bei der Anordnung der 1 und 2 sowie
der Anordnung nach 3 kann die Temperatur der Verbrennungsprodukte,
die den Brennraum durch die Öffnungen 12f verlassen, auf
etwa 1140° Kelvin
geregelt werden, unter der Voraussetzung, daß der Brennraum 22 bei
25 bar und 2300° Kelvin
an der Flammenfront mit einer willkürlichen Verbrennungsrate von
150 Kilowatt betrieben wird.
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In
jeder der Ausführungsformen
der Erfindung ist zu erkennen, daß die Kühlung der Brennkammer ohne
die Verwendung von Kühlluft
erreicht wird. Es ist ferner erkennbar, daß in jedem der Fälle Energie
von der Flammenfront in einem 2-stufigen Prozeß absorbiert wird, wobei die
erste Stufe die Energieaufnahme durch das Kühlfluid in Kühlkammer 24 durch
die Innenwand 12d bildet und die zweite Stufe das weitere
Kühlen
der Flammenfront umfaßt, wenn
das Fluid in der Kühlkammer 24 durch
die Öffnungen 12e strömt, um zur
Flammenfront zu gelangen.
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Man
sieht, daß die
Erfindung einfache und wirksame Mittel bereitstellt, um die Brennkammertemperatur
unter der Temperatur zu halten, bei der ein thermisches Versagen
und die Bildung von NOx auftreten, ohne
im wesentlichen die Flammenzündung
oder -aufrechterhaltung zu stören
und ohne das Niveau von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen
oder den Brennstoffverbrauch der Turbine zu erhöhen. Insbesondere bewirkt die
Verfahrensweise der Erfindung, daß, im Gegensatz zu den herkömmlichen
Luftkompressoren mit relativ hohem Energieverbrauch, nur eine Pumpe
mit relativ geringem Energieverbrauch benötigt wird, um den Kühlbedarf
der Brennkammer zu decken, und daß die reine Turbinenarbeitsleistung
erhöht
wird, da die Energie zum Erzeugen der erforderlichen Kühlwirkung
wesentlich geringer ist im Vergleich zu Systemen, bei denen die
Kühlung
durch den Einsatz von Luft oder einer Kombination aus Luft, Wassereinspritzung
und/oder Dampfeinspritzung erreicht wird.