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Diese
Erfindung betrifft ganz allgemein Brennkammern zur Leistungserzeugung
und insbesondere Brennkammerleitbleche.
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Zur
industriellen Stromerzeugung dienende Gasturbinentriebwerke enthalten
einen Verdichter, der dazu dient, Luft zu komprimieren, die mit
Brennstoff vermischt und in einer Brennkammer gezündet wird,
um Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Verbrennungsgase strömen in eine
Turbine, die ihnen zum Antrieb einer Welle Energie entzieht, um
den Verdichter anzutreiben, und die eine Ausgangsleistung erzeugt,
um beispielsweise einen elektrischen Generator anzutreiben. Die
Turbine wird gewöhnlich über längere Zeit
mit einer verhältnismäßig hohen Basislast
zum Antrieb des Generators betrieben, um beispielsweise elektrischen
Strom für
ein Versorgungsnetz zu erzeugen. Die von den Verbrennungsgasen stammenden
Abgasemissionen bilden dabei ein Problem und sind verordneten Grenzwerten
unterworfen.
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Gegenwärtig werden
Gasturbinenbrennkammern entwickelt, die Magergemischverbrennung
verwenden, um Emissionen von Gasen wie NOx (Stickstoffoxide) zu
reduzieren. Eine derartige Brennkammereinrichtung, wie sie beispielsweise
in der US-A-4 292 801 beschrieben ist, umfasst mehrere Brenner, die
an einer einzelnen Brennkammer angebracht sind. Jeder Brenner enthält eine
Strömungsröhre mit einer
zentrisch angeordneten Brennstoffdüse, die eine mittige Nabe aufweist,
die Brennstoffinjektoren und Verwirbelungsschaufeln trägt. Während des
Betriebes wird durch die Brennstoffinjektoren Brennstoff ein gespritzt
und mit der verwirbelnden Luft in der Strömungsröhre vermischt, und es wird
an dem Auslass des Brenners eine Flamme erzeugt. Die Verbrennungsflamme
wird durch eine Kombination einer Bluff-Body-Rezirkulation (Stumpfkörper-Rezirkulation) hinter
der mittige Nabe und einer durch Verwirbelung induzierten Rezirkulation
stabilisiert. Wegen der mageren Stöchiometrie erzielt die Magervorgemischverbrennung
eine geringere Flammentemperatur und reduziert daher Emissionen
von NOx.
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Diese
eine Vormischung verwendenden Systeme sind jedoch anfällig für ein unkalkulierbares Phänomen, das üblicherweise
als "Flammenrückschlag" bezeichnet wird.
Flammenrückschlag
ist auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen, beispielsweise auf ein
Entflammen von in den Brennstoff vorhandenen Verunreinigungen oder
auf ein Zünden während eines
Moduswechsels, wenn sich die Flamme in einer Übergangsphase befindet. Bei
einem Flammenrückschlag
tritt eine Flamme in Brennkammerbereiche oder -hohlräume ein,
die nicht für
die Aufnahme einer Flamme konstruiert sind. Einer dieser Bereiche,
in denen ein Flammenrückschlag
problematisch ist, ist der Bereich, der sich zwischen den Brennstoffdüsen nach
oben in Richtung des Abschlussdeckels erstreckt. Das Rezirkulationsluftströmungsmuster
in diesem Bereich und die mögliche Anwesenheit
von Brennstoff darin macht diesen Bereich anfällig für einen Flammenrückschlag.
Ein Flammenrückschlag
in diesem Bereich kann zu einem Verlust der Kontrolle über die
Verbrennung führen
und kann außerdem
ein Erhitzen und Schmelzen von Brennkammerkomponenten, beispielsweise Brennstoffdüsen, bewirken, die
nicht dazu eingerichtet sind, einer übermäßigen Erhitzung standzuhalten.
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Außerdem führte die
ständig
steigende Nachfrage nach Turbinen mit einem verbesserten thermodynamische
Wirkungsgrad zu Steigerungen der Turbineneinlasstemperaturen. Die
höheren
Turbineneinlasstemperaturen verursachen einen entsprechenden Anstieg
der Ausstoßtemperaturen
und des Druckverhältnisses
des Verdichters. Die Kombination dieser Bedingungen erhöht die Wahrscheinlichkeit
für eine
Selbstzündung
von Brennstoff.
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Dementsprechend
besteht im Stand der Technik ein Bedarf für eine verbesserte Rezirkulation innerhalb
des Abschlussdeckelbereichs, um das Auftreten eines Flammenrückschlags
zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß ist eine
Brennkammereinrichtung geschaffen, die mehrere kreisförmig angeordnete
Brennstoffdüsen
enthält,
wobei die Brennstoffdüsen
ein erstes Ende, das zu einer Brennkammer führt, und ein zweites Ende aufweisen,
das an einem Abschlussdeckel befestigt ist. Die mehreren Brennstoffdüsen legen
zwischen einander einen zentralen Bereich fest. In dem zentralen
Bereich ist ein Leitblech angeordnet. Das Leitblech weist einen stromaufwärts liegenden
Grundabschnitt in der Nähe des
Abschlussdeckels und einen stromabwärtsliegenden Formabschnitt
auf, dessen Weite kleiner ist als eine Weite des stromaufwärts liegenden Grundabschnitts,
um eine Rezirkulationsströmung
in eine stromabwärts
führende
Strömung
zu überführen, um
das Auftreten von Flammenrückschlägen in dem
zentralen Bereich auf ein Minimum zu reduzieren.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
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1 veranschaulicht
schematisch ein herkömmliches
industrielles Turbinentriebwerk;
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2 zeigt
in einer schematischen Draufsicht das eine Ende einer exemplarischen
Brennkammerdüsenanordnung;
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3 zeigt
in einer schematischen Draufsicht von der Seite eine exemplarische
Brennkammerdüsenanordnung,
wobei einige Teile entfernt sind;
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4 zeigt
in einer schematischen Draufsicht von der Seite, wobei einige Teile
entfernt sind, eine Brennkammerdüsenanordnung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt
in einer schematischen geschnittenen Draufsicht von der Seite ein
Brennkammerleitblech gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 zeigt
in einer schematischen Draufsicht das eine Ende der Brennkammerdüsenanordnung
nach 4;
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7 zeigt
in einer schematischen geschnittenen Draufsicht von der Seite ein
Brennkammerleitblech gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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8 zeigt
ein exemplarisches Muster von entsprechend der Größenordnung
der Geschwindigkeit gefärbten
Geschwindigkeitsvektoren in einem zentralen Bereich ohne Leitblech;
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9 zeigt
ein exemplarisches Muster von entsprechend der Größenordnung
der Geschwindigkeit gefärbten
Geschwindigkeitsvektoren in einem zentralen Bereich, der ein Leitblech
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aufweist; und
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10 zeigt
ein exemplarisches Muster von entsprechend der Größenordnung
der Geschwindigkeit gefärbten
Geschwindigkeitsvektoren in einem zentralen Bereich mit einem anderen
Leitblech gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Zu
einem industriellen Turbinentriebwerk 10 gehören ein
Verdichter 12, der mit einer Brennkammereinrichtung 14 strömungsmäßig in Reihe
angeordnet ist, und eine ein- oder mehrstufige Turbine 16, wie
sie in 1 gezeigt ist. Die Turbine 16 ist durch eine
Antriebswelle 18 an den Verdichter 12 gekoppelt,
wobei ein Abschnitt der Antriebswelle 18 vorragt, um einen
(nicht gezeigten) elektrischen Generator zum Erzeugen von elektrischem
Strom anzutreiben. Im Betrieb gibt der Verdichter 12 Druckluft 20 in die
Brennkammereinrichtung 14 ab, wo die Druckluft 20 mit
Brennstoff 22 vermischt und gezündet wird, um Verbrennungsgase 24 in
einer Brennkammer 26 zu erzeugen, aus der die Turbine 16 Energie
zum Drehen der Welle 18 entzieht, um sowohl den Verdichter 12 anzutreiben,
als auch eine Ausgangsleistung hervorzubringen, die dazu dient,
den Generator oder eine sonstige externe Last anzutreiben.
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Jede
Brennkammereinrichtung 14 weist, wie in der schematischen
Draufsicht von 2 gezeigt, mehrere, beispielsweise
fünf, konzentrisch
und kreisförmig
angeordnete stromaufwärts
gelegene Düsen 50 auf.
Jede Düse 50 ist
mit einem Paar kreisförmig angeordneten
benachbarten Düsen 50 verbunden, um
eine konzentrische Düsenanordnung
von um den Umfang herum benachbarten Düsen 50 zu bilden. Die
konzentrische Anordnung der Düsen 50 definiert zwischen
diesen einen zentralen Bereich 52. Ein äußerer Abschnitt 54 jeder
Düse 50 definiert
ein äußeren Endes
des zentralen Bereichs 52. In einem Ausführungsbeispiel
ist der äußere Abschnitt 54 jeder Düse 50 bogenförmig und
definiert dadurch eine sternförmige
Geometrie eines äußeren Endes
für den
zentralen Bereich 52.
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Jede
Düse 50 weist
ein erstes Ende 60, das mit einem Abschlussdeckel 62 verbunden
ist, und ein zweites Ende 64 auf, das mit der Brennkammereinrichtung 14 (1)
verbunden ist, um den vorgemischten Brennstoff 22 und die
Luft 20, wie in 3 gezeigt, in die Brennkammer 26 für eine darin
stattfindende Verbrennung zuzuführen.
Benachbart zu dem zweiten Ende 64 der Düse 50 ist gewöhnlich in dem
zentralen Bereich 52 eine Abschlussplatte 66 angeordnet,
die sämtliche
um den Umfang herum benachbarte Düsen 50 miteinander
verbindet und jeden unerwünschten
Rückfluss
eines aus dem zweiten Ende 64 austretenden Brennstoff-Luft-Gemisches verhindert.
Dementsprechend ist der zentrale Bereich 52 gewöhnlich eine
Kammer, die durch den Abschlussdeckel 62, die angrenzenden äußeren Abschnitte 54 der
Düsen 50 und
die Abschlussplatte 66 definiert ist.
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Wie
oben erörtert,
ist die Rezirkulationsluft 68 gewöhnlich in dem zentralen Bereich 52 anzutreffen.
Die Anwesenheit von Brennstoff in dem zentralen Bereich 52 in
Verbindung mit der Rezirkulationsluft 68 schafft einen
optimalen Bereich für
ein Auftreten von Flammenrückschlag.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Leitblech 100 in dem
zentralen Bereich 58 angeordnet, um darin auftretende Rezirkulation
von Luft, wie in 4 gezeigt, auf ein Minimum zu
reduzieren. In einem Ausführungsbeispiel
ist das Leitblech 100 an dem Abschlussdeckel 62 mit
einem Befestigungsmittel 102 befestigt, das in eine in
dem Abschlussdeckel 62 ausgebildete Bohrung 104 eingeschraubt
ist. In einem Ausführungsbeispiel
ist das Befestigungsmittel 102 eine 5/8'' × 64,0 mm
(5/8'' × 2,5'')
UNC-Bolzenschraube mit reduziertem Schaft. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel
ist das Leitblech 100 einstückig mit dem Abschlussdeckel 62 ausgebildet
und wird während
eines Herstellungsverfahrens spanabhebend geeignet dimensioniert.
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Das
Leitblech 100 weist, wie am besten in 5 zu
sehen, einen stromaufwärts
liegenden Grundabschnitt 110 in der Nähe des Abschlussdeckels 62 und
einen stromabwärtsliegenden Formabschnitt 112 auf,
dessen Weite kleiner ist als eine Weite des stromaufwärts liegenden Grundabschnitts 110.
In einem Ausführungsbeispiel ist
das Leitblech 100 aus Hastelloy X hergestellt.
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Das
Leitblech 100 führt
die Rezirkulationsluftströmung 68 (3)
in eine nicht rezirkulierende Strömung 70 (4) über. Da
die nicht rezirkulierende Strömung 70 den
Brennstoff und die Luft in Richtung der Brennkammer 26 (1)
stromabwärts
bewegt, wird ein Auftreten von Flammenrückschlägen in dem zentralen Bereich 52 (4)
dementsprechend auf ein Minimum reduziert und sogar eliminiert.
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Der
stromaufwärts
liegende Grundabschnitt 110 ist derart ausgestaltet, um
in Bezug auf äußeren Abschnitten
der mehreren Düsen 50 passend
angeordnet zu sein (4). In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Höhe (h) des
Grundabschnitts 110 in dem Bereich zwischen ungefähr 6,4 mm
(0,25 Zoll) und etwa 28,58 mm (1,125 Zoll) (5). In einem
Ausführungsbeispiel
weist das Leitblech 100 eine Höhe (h') in dem Bereich zwischen ungefähr 38,0
mm (1,5 Zoll) und etwa 64,0 mm (2,5 Zoll) auf.
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In
einem Ausführungsbeispiel
verengt sich der stromabwärts
liegenden Formabschnitt 112 von einer Breite (w') im Bereich zwischen
ungefähr
76,0 mm (3,0 Zoll) und etwa 102,0 mm (4,0 Zoll) an einem stromaufwärts liegenden
Abschnitt auf eine Weite (w) im Bereich zwischen ungefähr 19,0
mm (0,75 Zoll) und etwa 33,0 mm (1,30 Zoll) an einem stromabwärts gelegenen
Abschnitt, um einen konisch gestalteten Umriss zu erzeugen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verengt sich der stromabwärts liegenden
Formabschnitt 112 von dem weiteren stromabwärts gelegenen
Grundabschnitt 110 aus unter einem Winkel (a) gegenüber einer
Referenzgerade 124 im Bereich zwischen ungefähr 35° bis ungefähr 55°, gewöhnlich 45°. Die Referenzgerade 124 verläuft gewöhnlich senkrecht
zu dem Abschlussdeckel 62.
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In
einem Ausführungsbeispiel
definieren fünf Düsen einen
zentralen Bereich 52, der eine geometrische Gestalt eines
fünfzackigen
Sterns aufweist. Dementsprechend weist in diesem Ausführungsbeispiel
das Leitblech 100 eine im Wesentlichen sternförmige Geometrie
auf, um mit jeder der fünf
Düsen einheitlich
zusammenzupassen, wie am besten in 6 zu sehen.
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In
noch einem Ausführungsbeispiel
200 ist der stromabwärts
liegenden Formabschnitt 112, wie in 7 gezeigt,
von einem weiteren Grundabschnitt aus hin zu einem schmaleren stromabwärts gelegenen
Abschnitt verjüngt,
um einen im Wesentlichen konischen Umriss zu bilden. Die Außenfläche ist
als ein Bogen profiliert, der durch eine axiale Länge (h'-h in 7)
in dem Bereich zwischen ungefähr
31,8 mm (1,25 Zoll) und etwa 34,93 mm (1,375 Zoll) und einem Krümmungsradius
von etwa 56,0 mm (2,2 Zoll) definiert ist. Die Gestalt des Leitblechs
dieser Konstruktion ist stromlinienförmiger und dem Fluidstrom besser angepasst,
indem sie der Strömung
geringeren Widerstand (oder Resistenz) entgegensetzt. Von dieser Konstruktion
eines Leitblechs wird daher erwartet, dass sich geringere Anforderungen
an den Druckabfall ergeben. Der geringere Druckabfall bietet den Vorteil
geringerer Pumpenkosten.
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8 veranschaulicht
ein exemplarisches Muster von entsprechend der Größenordnung
der Geschwindigkeit gefärbten
Geschwindigkeitsvektoren in einem zentralen Bereich ohne Leitblech.
In der Nähe
der Abschlussdeckelplatte ist eine große Rezirkulationszone in dem
zentralen Bereich zu sehen. Diese Rezirkulationszone stellt einen
potentiellen Ort eines Flammenrückschlags
und Flammenhaltens dar. Verhältnismäßig schwächere Rezirkulationszonen
sind außerdem
in axialer Richtung stromabwärts der
Düse in
einem toten Bereich vorhanden. Die verhältnismäßig stärkere Rezirkulationszone in
der Nähe
des Abschlussdeckels stellt einen Ort für einen Flammenrückschlag
in Anwesenheit von Brennstoff dar und sollte eliminiert werden,
um das Flammenhalten in dem zentralen Bereich zu vermeiden. Ein Vorhandensein
von Brennstoff in dem zentralen Bereich könnte entweder konstruktiv beabsichtigt
sein, um eine bessere Verbrennung und Flammenstabilität zu erreichen,
oder unbeabsichtigt aufgrund einer Brennstoffleckage vorliegen.
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9 veranschaulicht
ein exemplarisches Muster von entsprechend der Größenordnung
der Geschwindigkeit gefärbten
Geschwindigkeitsvektoren in einem zentralen Bereich mit dem Leitblech 100.
Die starke Rezirkulationszone in dem zentralen Bereich in der Nähe des Abschlussdeckels
(wie sie in 8 zu sehen ist) ist in 9 eliminiert.
Dementsprechend eliminiert das Leitblech 100 einen potentiellen
Ort für
Flammenhalten, falls ein Flammenrückschlag in dem zentralen Bereich
auftreten sollte. Diese Konfiguration zeigt allerdings das Vorhandensein einer
stromabwärts
in dem toten Bereich gelegenen "schwachen" Rezirkulation.
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10 veranschaulicht
ein exemplarisches Muster von entsprechend der Größenordnung
der Geschwindigkeit gefärbten
Geschwindigkeitsvektoren in einem zentralen Bereich mit einer anderen Leitblechkonstruktion 200.
Die starke Rezirkulationszone in dem zentralen Bereich in der Nähe des Abschlussdeckels
(wie sie in 8 zu sehen ist) ist in 10 ebenfalls
eliminiert. Folglich eliminiert diese Konstruktion ebenfalls den
potentiellen Ort für
ein Flammenhalten, falls der Flammenrückschlag in dem zentralen Bereich
auftreten sollte. Darüber
hinaus eliminiert diese Leitblechkonstruktion außerdem die "schwache" stromabwärts gelegene Rezirkulation.