DE102008037374A1

DE102008037374A1 - Torusförmiger Ringverteiler für die sekundäre Brennstoffdüse einer DLN-Gasturbine

Info

Publication number: DE102008037374A1
Application number: DE102008037374A
Authority: DE
Inventors: Arjun Rewa Singh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2009-04-02
Also published as: CH697908A2; CN101392917A; US20090077972A1; JP2009074792A

Abstract

Ein torusförmiger Ringverteiler für die wirksame Vermischung von Vormischbrennstoff mit Luft in der sekundären Düse einer Brennkammer für eine DLN-Gasturbine, wodurch für eine stabile Verbrennung bei niedrigen Stickoxidemissionen (NOx-Emissionen) gesorgt wird. Der torusförmige Ringverteiler (200) ist um eine Zentralkörper-Nabe (565) einer sekundären Brennstoffdüsenanordnung (500) in einem Vormischvolumen (555) zwischen dem Nabenkörper (565) des Düsenzentralkörpers und einer Zentralkörperkappe (570) zentriert. Der Ringverteiler (200) erhält Brennstoff aus dem Düsenkörper und verteilt Vormischbrennstoff aus einer Vielzahl von Reihen aus einzelnen Löchern auf seiner stromab liegenden Oberfläche in einen Luftstrom (545). Die Anzahl und Position der Reihen, die Anzahl, Größe und Beabstandung der Löcher in jeder Reihe sowie die radiale Position des torusförmigen Ringverteilers (200) in dem Vormischvolumen (555) werden optimiert, um eine bessere Vormischung zu fördern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine sekundäre Brennstoffdüse für eine Gasturbinenbrennkammer und genauer gesagt auf einen torusförmigen Ringverteiler zur Brennstoffvormischung in der sekundären Brennstoffdüse einer Dry-Low-NOx-Gasturbine (DLN-Gasturbine).
1 stellt eine Brennkammer nach dem Stand der Technik für eine Gasturbine dar, die umfasst: einen Verdichter 14 (teilweise dargestellt), eine Vielzahl von Brennkammern 16 (der Klarheit halber ist nur eine dargestellt) und eine Turbine, die durch eine einzige Schaufel dargestellt wird. Obwohl dieses nicht speziell dargestellt ist, ist die Turbine entlang einer gemeinsamen Achse antriebstechnisch mit dem Verdichter 14 verbunden. Der Verdichter 14 setzt Ansaugluft unter Druck, die dann mit umgekehrter Strömungsrichtung zu der Brennkammer strömt, wo sie zur Kühlung der Brennkammer 16 und als Luftzufuhr für den Verbrennungsprozess genutzt wird. Obwohl nur eine Brennkammer gezeigt wird, umfasst die Gasturbine eine Vielzahl um ihre Peripherie angeordnete Brennkammern 16. Ein Übergangskanal 20 verbindet das Auslassende jeder Brennkammer 16 mit dem Einlassende der Turbine, um der Turbine die heißen Verbrennungsprodukte zuzuführen.
Jede Brennkammer 16 umfasst eine primäre oder stromauf liegende Brennkammer 24 und eine sekundäre o der stromab liegende Brennkammer 26, die durch einen Venturi-Halsbereich 28 getrennt sind. Die Brennkammer 16 ist von einer Brennkammer-Strömungshülse 30 umgeben, die den Verdichterabluftstrom zu der Brennkammer leitet. Die Brennkammer ist ferner von einem Außengehäuse 31 umgeben, das an das Turbinengehäuse 32 geschraubt ist.
Die primären Düsen 36 sorgen für die Brennstoffzufuhr zu der stromauf liegenden Brennkammer 24 und sind in einer ringförmigen Anordnung um eine zentrale sekundäre Düse 38 angeordnet. Jede der primären Düsen 36 ragt durch eine rückwärtige Wand 40 in die primäre Brennkammer 24 hinein. Die sekundäre Düse 38 erstreckt sich von einer rückwärtigen Wand 40 zum Halsbereich 28, um Brennstoff in die sekundäre Brennkammer 26 einzuführen. Der Brennstoff wird den primären Düsen 36 auf bekannte Weise durch Brennstoffleitungen (nicht gezeigt) zugeführt.
Die Verbrennungsluft wird in die Brennstoffstufe durch Luftdrallkörper 42 eingeführt, die angrenzend an die Auslassenden der Düsen 36 angeordnet sind. Die Drallkörper 42 führen wirbelnde Verbrennungsluft ein, die sich mit dem Brennstoff aus den Düsen 36 vermischt und in der Kammer 24 ein entzündbares Gemisch für die Verbrennung beim Anfahren liefert. Die Verbrennungsluft für die Drallkörper 42 wird von dem Verdichter 14 und der Streckenführung der Luft zwischen der Verbrennungs-Strömungshülse 30 und der Wand 44 der Brennkammer abgeleitet. Die zylinderförmige Wand 44 der Brennkammer ist mit Schlitzen oder Luftschlitzen 46 in der primären Brennkammer 24 versehen, und ähnliche Schlitze oder Luftschlitze 48 befinden sich stromab der sekundären Brennkammer 26 zu Kühlzwecken und zum Einführen von Verdünnungsluft in die Verbrennungszonen, um einen wesentlichen Anstieg der Flammentemperatur zu vermeiden. Die sekundäre Düse 38 befindet sich innerhalb eines Zentralkörpers 50 und erstreckt sich durch ein Flammrohr 52, das mit einem Drallkörper 54 versehen ist, durch den Verbrennungsluft zur Vermischung mit Brennstoff aus der sekundären Düse eingeführt wird.
In 2 ist eine sekundäre Brennstoffdüsenanordnung 56 ausschließlich für Gas dargestellt. Brennstoff zur Aufrechterhaltung einer Flamme wird durch das Diffusionsrohr P₁ und zur Aufrechterhaltung einer vorgemischten Flame durch das Rohr P₂ zugeführt, die am Einlass der sekundären Brennstoffdüsenanordnung 56 konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Im Folgenden soll primär die sekundäre Vormischbrennstoff-Düsenanordnung 56 beschrieben werden. Eine rückwärtige Komponente oder ein Gaskörper 58 umfasst einen äußeren Hülsenabschnitt 60 und einen inneren hohlen Kernabschnitt 62, der mit einer Zentralbohrung 94 versehen ist, die einen Vormischbrennstoffkanal 64 bildet. Eine Vielzahl axialer Luftkanäle 68 sind in der vorderen Hälfte der rückwärtigen Komponente 58 ausgebildet und umgeben den Vormischkanal 64. Eine gleiche Anzahl radialer Wandabschnitte (z. B. vier) sind um das Ende des Hülsenabschnitts 60 angeordnet, und jeder umfasst ein geneigtes radiales Loch 70, um Luft in das Flammrohr 52 einzulassen, damit diese in einen entsprechenden Luftkanal 68 eintreten kann. Das rückwärtige Ende der Komponente 58 ist für die Aufnahme der Brennstoffrohre P₁, P₂ in einem Montageflansch 77 eingerichtet, wie in 2 gezeigt.
Eine Vielzahl radialer Löcher 78 ist um den Umfang des vorderen Abschnitts der Komponente 58 herum vorgesehen und ermöglicht die Aufnahme einer gleichen Anzahl radialer Gaseinspritzrohre (pegs) 80, um so eine Verbindung mit dem Vormischkanal 64 herzustellen. Jedes Gaseinspritzrohr 80 ist mit einer Vielzahl von Löchern oder Öffnungen 82 versehen, sodass Brennstoff zur Vermischung mit Verbrennungsluft innerhalb des Flammrohrs aus dem Vormischkanal 64 in einen Vormischbereich 90 zwischen der sekundären Düsenanordnung 56 und dem Flammrohr 52 ausgelassen werden kann. Die Gaseinspritzrohre 80 sind für die Verteilung von Brennstoff in den Luftstrom ausgelegt. Eine gute Vermischung von Brennstoff und Luft in dem Vormischbereich 90 ist zur Minimierung der Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) erforderlich. Ein Flammenhaltungsdrallkörper 116, der in die Düse integriert sein kann oder auch nicht, befindet sich am Vorderende der sekundären Düse und erstreckt sich radial zwischen dem Vorderende 108 – das einen reduzierten Durchmesser aufweist – und dem Flammrohr 52 zwecks Verwirbelung des innerhalb des Flammrohrs strömenden vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches. Verbrennungsluft tritt in die sekundäre Düsenanordnung 56 durch die Löcher 70 ein und strömt durch einen Vormischkanal, der durch den Kanal 64, die Pilotbohrung 98 und die Pilotöffnung 100 definiert ist. Zusammen mit Luft aus den Drallschlitzen 96 liefert dieser Brennstoff eine Diffusions-Sub-Pilotflamme. Gleichzeitig strömt der Hauptteil des dem Vormischkanal zugeführten Brennstoffs in die Gaseinspritzventile 80, um aus den Öffnungen 82 in Richtung auf das Flammrohr 52 ausgelassen zu werden, wo er mit Luft vermischt wird.
Wie in 3A–3B gezeigt, kann das Vormischen von Brennstoff mit Luft, wie es in sekundären Brenn stoffdüsen nach dem Stand der Technik durchgeführt wird, die Vielzahl von Gaseinspritzrohren 80 umfassen, die in dem Vormischvolumen 40 um die Peripherie des sekundären Düsenkörpers 75 gleich beabstandet sind. Jedes Gaseinspritzrohr 80 kann einen zentralen Hohlraum 85 enthalten, der entlang der Länge des Gaseinspritzrohrs verläuft. Das innere Ende jedes Gaseinspritzrohrs kann am Düsenkörper an der Position der radialen Brennstofflöcher angebracht sein, wodurch eine Verbindung zwischen dem Brennstoffhohlraum in dem Düsenkörper und dem zentralen Hohlraum des Gaseinspritzrohrs hergestellt wird, wie es vorher mit Bezug auf 2 beschrieben wurde. Entlang einer stromab liegenden Oberfläche des Gaseinspritzrohrs 80 ist eine Vielzahl Brennstoffauslasslöcher 82 aus dem zentralen inneren Hohlraum vorgesehen, wodurch für das Auslassen von Vormischbrennstoff in den Luftstrom zwischen dem sekundären Düsenkörper 75 und dem Flammrohr 52 gesorgt wird. Drei radial angeordnete Brennstoffauslasslöcher 82 sind entlang der stromab liegenden Seite des Gaseinspritzrohrs 80 vorgesehen. Die Positionierung der Löcher entlang der Lochreihe war unterschiedlich. Bei dieser sekundären Düse nach dem Stand der Technik sind sechs Gaseinspritzrohre gleichmäßig um den Umfang des Körpers der sekundären Düse 75 verteilt, mit drei Öffnungen für die Brennstoffverteilung entlang der stromab liegenden Seite des Einspritzrohrs. Die effektive Vermischung von Brennstoff und Luft wird jedoch nicht vollständig erreicht. Eine vollständigere Vermischung von Brennstoff und Luft kann zu niedrigeren NO_x-Emissionen und einer stabileren Verbrennung führen.
Die oben beschriebene Düsenkonstruktion sorgt durch eine Diffusionsflamme für den vorgemischten Betriebsmodus, schaltet bei Erreichen des vorgemischten Modus die Diffusionsflamme ab und startet die Vormischflamme für den Erhaltungsbetrieb. Jedoch sind erhöhte Emissionen einer Gasturbine die Folge einer unzureichenden Vermischung von Luft und Brennstoff vor der Verbrennung in der Brennkammer. Die oben beschriebene vorhandene Gaseinspritzrohrkonstruktion ist nicht in der Lage, Brennstoff und Luft richtig zu mischen, um den für niedrige Emissionen erforderlichen Grad an Vermischung zu erreichen. Versuche, die Position der Löcher in den Gaseinspritzrohren zu verändern, führten nicht zu einer befriedigenden Vermischung von Brennstoff und Luft.
4 zeigt eine Brennstoffverteilvorrichtung 150 für eine sekundäre Brennstoffdüse wie sie in den Patentschriften U.S. 6 446 439 und U.S. 6 282 904 von Kraft et al. beschrieben wird. Ein ringförmiger Brennstoffverteiler 155 ist durch Tragzylinder 165 an einer Traghülse 160 angebracht. Der Verteiler 155 weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Traghülse 160 wird durch Schweißen am Körper einer sekundären Brennstoffdüse (nicht gezeigt) befestigt. Der Brennstoff im Körper der sekundären Düse strömt durch die Löcher 170 in der Traghülse und durch die Tragzylinder 165 in den hohlen, ringförmigen Brennstoffverteiler 155. Der ringförmige Brennstoffverteiler 155 ist in einem Luftstrom 175 um den Düsenkörper der sekundären Düse (nicht gezeigt) angeordnet. Der Brennstoff wird von der stromab liegenden Fläche 180 des ringförmigen Brennstoffverteilers durch eine Anordnung von Löchern 185 verteilt. Die Löcher 185 können sich innerhalb des Luftstroms in einem ersten radialen Abstand 186 oder einem zweiten radialen Abstand 187 von einer Mittelachse befinden. Die Richtung der Löcher 185 in Bezug auf den Luftstrom kann kollinear oder in einem Winkel verlaufen. Der rechteckig ausgebildete Ringraum beschränkt jedoch die Winkel, die die Löcher bezogen auf die Richtung des Luftstroms bilden können.
Der zylinder- und ringförmige Brennstoffverteiler 155 zur Brennstoffvormischverteilung kann für eine Brennstoffverteilung über die Gaseinspritzrohranordnung in der Radial- und Umfangsrichtung sorgen. Dem ringförmigen Verteiler sind jedoch bei der Vermischung Grenzen gesetzt, die von den eingeschränkten Strömungswinkeln herrühren, die hinsichtlich des Luftstroms hergestellt werden können, und insbesondere hinsichtlich der radialen Verteilung von Brennstoff in den Luftstrom.
Es existiert dementsprechend ein Bedürfnis, eine alternative Struktur zur Verfügung zu stellen, um die Brennstoff-Luft-Vormischung in der sekundären Düse zu verbessern, um niedrigere Emissionen und eine verbesserte Verbrennungsdynamik zu unterstützen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen torusförmigen Ringverteiler für die wirkungsvolle Vermischung von Vormischbrennstoff mit Luft in der sekundären Düse einer Brennkammer einer DLN-Gasturbine, wodurch für eine stabile Verbrennung mit niedrigen Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) gesorgt wird.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein torusförmiger Ringverteiler zur Verteilung von Brennstoff in eine Vormischzone einer sekundären Brennstoffdüse einer DLN-Gasturbinenbrennkammer zur Verfügung gestellt. Der torusförmige Ringverteiler umfasst ein Gehäuse für den torusförmigen Ringverteiler, das im Allgemeinen torusförmig ist und einen Hohlraum in dem Gehäuse aufweist. Eine Vielzahl radialer Durchdringungen einer inneren torusförmigen Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses erstreckt sich in den Gehäusehohlraum, wobei jede der vielen radialen Durchdringungen in einer vorgegebenen Anordnung auf der inneren torusförmigen Fläche angeordnet ist.
Eine Vielzahl von Tragarmen erstreckt sich von der inneren torusförmigen Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses radial einwärts. An jeder der vielen radialen Durchdringungen kann einer der vielen Tragarme an dem torusförmigen Ringverteilergehäuse angebracht sein und sich von der inneren Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses radial einwärts erstrecken. Der Tragarm umfasst ferner einen axialen inneren Hohlraum für den Transport von Vormischbrennstoff von einem inneren radialen Ende zu einem äußeren radialen Ende des torusförmigen Ringverteilergehäuses. Es ist ebenfalls eine Vielzahl gemäß einer vorgegebenen Anordnung positionierter Durchdringungen durch eine poloidale Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses zur Verteilung von Vormischbrennstoff vorgesehen.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine sekundäre Brennstoffdüsenanordnung für eine Gasturbinenbrennkammer zur Verfügung gestellt. Die sekundäre Brennstoffdüsenanordnung umfasst einen Vormischbrennstoffanschluss an dem rückwärtigen Ende der sekundären Brennstoffdüsenanordnung sowie einen Düsenkörper, der an einem rückwärtigen Ende mit dem Vormischbrennstoffanschluss verbunden ist. Ein torusförmiger Ringverteiler ist radial um den Düsenkörper zentriert, um Brennstoff aus dem Düsenkörper in einen axialen Luftstromweg um den Düsenkörper zu verteilen. Eine Tragkonstruktion ist zur Unterstützung des torusförmigen Ringverteilers vorgesehen. Ferner ist ein Verbindungsweg für den Brennstoff von dem Düsenkörper zu dem torusförmigen Ringverteiler vorgesehen.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkammer für eine DLN-Gasturbine zur Verfügung gestellt. Die Brennkammer umfasst a sekundäre Brennstoffdüsenanordnung mit einem Brennstoffanschluss am rückwärtigen Ende und einem Düsenkörper, der an einem rückwärtigen Ende mit dem Brennstoffanschluss verbunden ist. Ein torusförmiger Ringverteiler kann radial um den Düsenkörper zentriert sein, um Brennstoff aus dem Düsenkörper in einen axialen Luftstromweg um den Düsenkörper zu verteilen. Eine Tragkonstruktion ist zur Unterstützung des torusförmigen Ringverteilers vorgesehen. Ferner ist ein Verbindungsweg für den Brennstoff von dem Düsenkörper zu dem torusförmigen Ringverteiler vorgesehen. Ein Flammrohr umgibt die sekundäre Düsenanordnung in Umfangsrichtung und enthält eine Durchdringung am rückwärtigen Ende zum Einlassen eines Luftstroms in ein Vormischvolumen. Das Vormischvolumen umfasst eine im Allgemeinen ringförmige Form, die zwischen der sekundären Düsenanordnung und einer Innenwand des Flammrohrs definiert ist. Ein Drallkörper kann an dem Vorderende der sekundären Düsenanordnung angebracht sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung un ter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
1 ist ein Teilquerschnitt einer bekannten Dry-Low-NO_x-Brennkammer nach dem Stand der Technik;
2 ist ein Teilquerschnitt einer sekundären Vormisch-/Diffusionsbrennstoffdüse nach dem Stand der Technik;
3A stellt eine Gaseinspritzrohranordnung für die sekundäre Brennstoffdüse nach dem Stand der Technik dar;
3B zeigt die Anordnung von Brennstoffauslasslöchern in dem Einspritzrohr der sekundären Brennstoffdüse nach dem Stand der Technik;
4 zeigt einen Verteiler für die Brennstoffvormischung nach dem Stand der Technik.
5A stellt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen torusförmigen Gehäuses dar;
5B zeigt eine Seitenansicht eines torusförmigen Ringverteilers um einen Düsenkörper;
5C zeigt einen Querschnitt eines torusförmigen Ringverteilers und stellt die Winkel der Reihen von Brennstoffmischlöchern auf der stromab liegenden Oberfläche dar;
6A zeigt eine Außenansicht einer stromab liegenden Seite einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers;
6B zeigt eine Innenansicht der stromab liegenden Seite einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers;
7A zeigt eine Isometrie von Montageanordnungen für die Montage des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers an einen Düsenkörper einer sekundären Brennstoffdüse.
7B zeigt einen Schnitt des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers durch eine sekundäre Brennstoffdüse, einen Tragarm und ein Verteilergehäuse;
8 zeigt eine sekundäre Brennstoffanordnung für eine Gasturbine, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers einbezieht;
9 zeigt eine Brennkammer für eine Gasturbine, die den erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteiler einbezieht.
10A zeigt ein radiales Profil berechneter Unvermischtheit für die sekundäre Brennstoffdüse des Gaseinspritzrohrs nach dem Stand der Technik und
10B zeigt ein radiales Profil berechneter Unvermischtheit für die sekundäre Brennstoffdüse mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten viele Vorteile, darunter die wirkungsvolle Vermischung von Brennstoff mit Luft in der sekundären Düse einer Brennkammer einer Dry-Low-NO_x-Gasturbine (DLN-Gasturbine), wodurch für eine stabile Verbrennung mit niedrigen Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) gesorgt wird.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein torusförmiger Ringverteiler zur Verfügung gestellt, um Brennstoff in dem Vormischvolumen zwischen einem sekundären Düsenkörper und dem Flammrohr zu verteilen. 5A stellt einen Querschnitt eines torusförmigen Gehäuses dar. Ein torusförmiger Ringverteiler 200 kann ein im Allgemeinen torusförmig ausgebildetes Gehäuse 210 mit einem kreisförmigen Ringquerschnitt 215 umfassen. Das torusförmige Gehäuse 210 in Bezug auf eine poloidale Achse 220 zentriert. Wird der torusförmige Ringverteiler 200 mit einem Düsenkörper 400 (zum Teil gezeigt) als Teil einer sekundären Brennstoffanordnung zusammengefügt, kann die poloidale Achse mit einer Längsachse 305 des Düsenkörpers 400 übereinstimmen. Eine torusförmige Achse 225 verläuft durch die Mitte 230 des kreisförmigen Ringquerschnitts 215. Der torusförmige Ringverteiler 200 umfasst eine Ringhöhe H 235, die zwischen dem Mittelpunkt 240 des torusförmigen Ringverteilers auf der poloidalen Achse 220 und dem Mittelpunkt 230 des kreisförmigen Ringquerschnitts 215 auf der torusförmigen Achse 225 definiert ist. Die Festlegung der Ringhöhe H 235 und eines Querschnittsdurchmessers 236 passen die Positionierung der Ringaußenfläche 237 relativ zu einem Vormischraum (nicht gezeigt) um den Körper der sekundären Düse an. Die Außenfläche 237 des to rusförmigen Ringverteilers 200 kann durch einen „Ringäquator" in eine obere Oberfläche 238 und eine untere Oberfläche 239 geteilt sein.
Eine Position der Punkte, die in Umfangsrichtung eine Reihe um den torusförmigen Ringverteiler bilden (zum Beispiel der erste Punkt 250 auf der Oberfläche der kreisförmigen Querschnitte 215) kann durch den Reihenwinkel θ₁ 260 definiert sein, der zwischen einer Linie, die parallel zu der poloidalen Achse 220 durch den Mittelpunkt 230 des Ringquerschnitts 215 verläuft, und einer Linie 270 zwischen dem Mittelpunkt 230 des Ringquerschnitts 215 und dem Punkt auf der Oberfläche 250 gebildet wird. Aus Gründen der Konvention ist der Winkel θ₁ (in Richtung auf die poloidale Achse) als positiv definiert. Ein zweiter Reihenwinkel θ₂ 275 beschreibt den Punkt 255 und eine zugehörige Position von Mittelpunkten einer zweiten Reihe, ebenfalls auf der Außenfläche des torusförmigen Ringverteilers 200.
5B zeigt eine Seitenansicht eines torusförmigen Ringverteilers 200 um einen Düsenkörper 400. Der torusförmige Ringverteiler 200 umfasst Brennstoffmischlöcher 320 auf einer stromab liegenden Oberfläche 290. Durch die Höhe H 235 des torusförmigen Ringverteilers wird die Positionierung des Verteilers und damit der Brennstoffmischlöcher 320 relativ zum Düsenkörper 400 festgelegt. 5C zeigt einen Querschnitt eines torusförmigen Ringverteilers und stellt die Reihenwinkel der Brennstoffmischlöcher auf der stromab liegenden Oberfläche dar. Die Reihenwinkel θ₁ 260 und θ₂ 275 können die Position von Mittelpunkten der Brennstoffmischlöcher 320 (unten detaillierter beschrieben) definieren.
6A zeigt eine stromab liegende Ansicht des torusförmigen Ringverteilers. 6B zeigt eine Innenansicht der stromab liegenden Oberfläche des torusförmigen Ringverteilers. Der um die poloidale Achse 230 zentrierte torusförmige Ringverteiler 200 umfasst einen zentralen Hohlraum 290 innerhalb der Gehäuseschale 210. Der zentrale Hohlraum 290 kann ebenfalls torusförmig sein. Eine Vielzahl radialer Durchdringungen 295 durch die Außenfläche 237 der torusförmigen Gehäuseschale 210 kann vorgesehen sein, wobei die Durchdringungen 295 sich gemäß einer vorgegebenen Anordnung in den zentralen Hohlraum 290 erstrecken. Der torusförmige Ringverteiler 210 kann auch eine Vielzahl von Tragarmen 300 umfassen, die sich von der unteren Oberfläche 239 des Verteilergehäuses 210 radial einwärts erstrecken. In einem Gesichtspunkt des erfindungsgemäßen Verteilers können vier Tragarme 300 und die entsprechenden radialen Durchdringungen 295 gleichmäßig um die untere Oberfläche 239 des Verteilergehäuses 210 verteilt sein.
Die vielen Tragarme 300 können jeder einen axialen inneren Hohlraum 325 für die Brennstoffzufuhr enthalten, wobei der innere Hohlraum 325 sich von einem inneren radialen Ende 326 zu einem äußeren radialen Ende 327 des Tragarms 300 erstreckt. Das äußere radiale Ende 327 kann mit dem torusförmigen Ringverteiler 200 an der Position einer der entsprechenden radialen Durchdringungen 295 des Verteilergehäuse 210 verbunden sein und dadurch einen Verbindungsweg für Brennstoff durch die Tragarme 300 und in den zentralen Hohlraum 290 des torusförmigen Ringverteilers 200 bereitstellen.
7A zeigt eine Isometrie von Montageordnungen für die Montage des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers an einen Düsenkörper einer sekundären Brennstoffdüse. 7B zeigt einen Schnitt durch einen Körper 350 einer sekundären Brennstoffdüse, einen Tragarm 300 und ein Verteilergehäuse 210. Das Verteilergehäuse 210 kann aus vier Gehäuseabschnitten 330 bestehen. Jeder Gehäuseabschnitt 330 umfasst eine radiale Durchdringung 295 zur Aufnahme des äußeren radialen Endes 327 des Tragarms 300. Der Tragarm 300 umfasst mit einem Gewinde versehene Anschlussstücke 328 an seinem inneren radialen Ende 326 und mit einem Gewinde versehene Anschlussstücke 329 an seinem äußeren radialen Ende 327. Die radiale Durchdringung 295 des Verteilergehäuses 210 umfasst ein Gewinde 297 zum Zusammenfügen mit dem Gewinde 329, um das äußere radiale Ende 327 des Tragarms 300 mit dem Gehäuseabschnitt 330 zu verbinden. Weitere radiale Löcher 361 können die Wand 351 des Düsenkörpers 350 durchdringen und sich zu dem darunter liegenden Vormischbrennstoffkanal 360 erstrecken. Die radialen Löcher 361 können Gewinde 365 umfassen, um das Zusammenfügen mit dem Gewinde 328 an dem inneren Ende 326 des Tragarms 300 zu ermöglichen, um den Tragarm 300 an dem Körper 350 der sekundären Brennstoffdüse zu befestigen. Auf diese Weise wird ein Strömungsweg 355 für Vormischbrennstoff von dem Vormischbrennstoffkanal 360 in dem Körper 350 der sekundären Brennstoffdüse, durch die radialen Löcher 361, durch den Hohlraum 325 in die Tragarme und radialen Durchdringungen 295 in dem Gehäuseabschnitt 330 bereitgestellt. Die Gehäuseabschnitte 330 können durch Schweißen oder andere geeignete Verbindungsmittel verbunden werden, um den torusförmigen Ringverteiler 200 zu bilden.
Nochmals auf die 6A–6B bezogen: Es kann eine Vielzahl von Durchdringungen durch die stromab liegende poloidale Oberfläche des torusförmigen Ringvertei lergehäuses 210 und in den Gehäusehohlraum 290 gemäß einer vorgegebenen Anordnung positioniert sein. Die vorgegebene Anordnung ist optimiert, um für die Mischung des Brennstoffs aus dem Hohlraum 290 des Gehäuses 210 mit dem das Verteilergehäuse 210 umgebenden Luftstrom zu sorgen. Die vorgegebene Anordnung kann zumindest eine Lochreihe umfassen. Die Positionen für die Mittelpunkte der einzelnen Löcher einer Reihe (eines Rings) 280, 285 von Löchern können in einem individuell vorgegebenen Winkel in Bezug auf den Ringquerschnitt festgelegt werden. Bevorzugt sind die einzelnen Löcher 310, 315 in einer Lochreihe 280, 285 gleichmäßig in Umfangsrichtung um die Positionen der Mittelpunkte einer spezifischen Reihe beabstandet. Bevorzugt weisen ferner die einzelnen Löcher jeder Reihe denselben Durchmesser auf. Die Löcher verschiedener Lochreihen können denselben Durchmesser oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bevorzugt umfasst der torusförmige Ringverteiler außerdem zwei Lochreihen.
Eine bevorzugte Ausführungsform kann zwei Reihen oder Ringe (eine erste Reihe 280 und eine zweite Reihe 285) von Löchern in einer stromab liegenden poloidalen Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses umfassen. Bevorzugt liegen ferner die Mittelpunkte der einzelnen Löcher 310 der ersten Reihe 280 in einem vorgegebenen positiven Winkel θ₁ 260 (5C) in Bezug auf den Ringquerschnitt 215, und die Mittelpunkte der einzelnen Löcher 315 der zweiten Reihe 285 in einem vorgegebenen negativen Winkel θ₁ 275 (5C) in Bezug auf den Ringquerschnitt 215. Bevorzugt ist ferner der Durchmesser der einzelnen Löcher 310 der ersten Reihe 280 kleiner als der Durchmesser der einzelnen Löcher 315 der zweiten Reihe 285. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vertei lers können die einzelnen Löcher 310 der ersten Reihe 280 Durchmesser von circa 0,082 Zoll (ca. 2,08 mm) und die einzelnen Löcher 315 der zweiten Reihe 285 Durchmesser von circa 0,116 Zoll (ca. 2,94 mm) aufweisen.
Die Anzahl einzelner Löcher einer ersten Lochreihe kann gleich oder ungleich der Anzahl einzelner Löcher anderer Reihen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilers mit zwei Lochreihen, kann die erste Reihe 280 16 einzelne Löcher 310 und die zweite Reihe 285 8 einzelne Löcher 315 enthalten. Bevorzugt sind ferner die einzelnen Löcher 310 der ersten Reihe 280 und die einzelnen Löcher 315 der zweiten Reihe 285 in Bezug aufeinander gleichmäßig beabstandet, um ein gleichmäßig verteiltes Brennstoff-Luft-Verhältnis in Umfangsrichtung in dem Vormischvolumen zu fördern.
Ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt eine sekundäre Brennstoffdüsenanordnung 500 für eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers 200 (s. 5–7) zur Verfügung und ist in 8 dargestellt. 8 zeigt den erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteiler 200 an den Düsenzentralkörper 350 montiert. Der torusförmige Ringverteiler 200 ist in dem Vormischvolumen 380 zur Verteilung von sekundärem Vormischbrennstoff um die Nabe des Zentralkörpers 395 und in der Kappe des Zentralkörpers 390 positioniert. Ein Heizölanschluss 435, ein sekundärer Gasanschluss 436, ein tertiärer Gasanschluss 437 und ein Wasseranschluss 438 können am rückwärtigen Ende der sekundären Brennstoffdüsenanordnung 500 zur Verfügung gestellt werden. Der torusförmige Ringverteiler 200 ist radial um den Düsenzentralkörper 350 zentriert, um Vormisch brennstoff aus dem Düsenzentralkörper 350 in einen axialen Weg des Luftstroms 450 um den Düsenzentralkörper zu verteilen. Eine Tragkonstruktion wird zur Verfügung gestellt, um das Verteilerringgehäuse von der Nabe des Zentralkörpers 395 aus zu unterstützen.
Innerhalb der Nabe des Düsenzentralkörpers 395 der sekundären Brennstoffdüsenanordnung 500 ist eine Vielzahl innerer Brennstoffhohlräume (Kanäle) für die Zufuhr verschiedener Brennstofftypen zu dem Vormischvolumen 380 und zu der Spitze 410 der Düse vorgesehen. Heizöl kann der Spitze 410 durch den Heizölhohlraum 415 zugeführt werden. Der sekundäre Gasbrennstoffhohlraum 426 verbindet den sekundären Gasbrennstoff zum Vormischen mit einer Vielzahl radialer Löcher 365 durch die Außenwand 351 der Nabe des Zentralkörpers 395. Die Vielzahl radialer Löcher 365 ist in einer vorgegebenen Verteilung um den Umfang der Nabe des Zentralkörpers 395 angeordnet. Die vorgegebene Verteilung der radialen Löcher 365 ist dafür eingerichtet, mit den Tragarmen (nicht gezeigt) des torusförmigen Ringverteilers zusammenzupassen und zu fluchten, um einen Verbindungsweg für den Vormischbrennstoff durch die Hohlräume des Tragarms und in den Gehäusehohlraum des torusförmigen Ringverteilers 200 zur Verfügung zu stellen, wie zuvor beschrieben. Der sekundäre Brennstoff kann ferner durch sekundäre Brennstoffkanäle 422 und 423 zu den Pilotlöchern 440 an der Düsenspitze 410 verteilt werden, um eine Gas-Pilotflamme zu erhalten. Tertiärer Gasbrennstoff kann durch tertiäre Gaskanäle 425 der Düsenspitze 410 zugeführt werden. Ferner kann ein Wassereinspritzkanal 424 für die Wassereinspritzung an der Düsenspitze 410 zur Verfügung gestellt werden.
Durch die Brennstoffmischlöcher 320 in den Luftstrom 450 ausgelassener sekundärer Gasbrennstoff vermischt sich im Vormischvolumen 380 mit der Luft. Der sekundäre Gasbrennstoff wird mit dem Luftstrom 450 durch den Drallkörper 430 an der Spitze 410 der Düse weiter vermischt.
Die Konstruktion des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers, seine Tragarme sowie die Befestigung an der Nabe des Zentralkörpers wurden zuvor mit Bezug auf die 4–8 beschrieben. Die sekundäre Brennstoffdüsenanordnung 500 umfasst diese beschriebenen Elemente des torusförmigen Ringverteilers. Ferner versteht es sich, dass während der erfindungsgemäße torusförmige Ringverteiler 200 mit einer sekundären Brennstoffdüsenanordnung 500 gezeigt wird, verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers mit sekundären Brennstoffdüsen kombiniert werden können, die unterschiedliche Anordnungen und Kombinationen von Brennstoffquellen und Brennstoffkanalanordnungen umfassen können.
Eine Brennkammer 600 für eine DLN-Gasturbine wird unter einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ebenfalls zur Verfügung gestellt. Die Brennkammer 600 kann die sekundäre Brennstoffdüsenanordnung 500 mit dem torusförmigen Ringverteiler 200, wie zuvor beschrieben, enthalten. Die Brennkammer 600 kann auch eine Vielzahl primärer Brennstoffdüsenanordnungen 510 enthalten, die die sekundäre Brennstoffdüsenanordnung umgeben. Brennstoffanschlüsse 540 können an dem rückwärtigen Ende der Brennkammer vorgesehen sein.
9 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkammer. Ein Verdichter 514 (zum Teil gezeigt) ist an der Brennkammer 600 angebracht versorgt die Brennkammer mit verdichteter Luft. Eine Strömungshülse 530, die die primären Brennstoffdüsenanordnungen 510 und die sekundäre Brennstoffdüsenanordnung 500 umgibt, nimmt durch Durchflusslöcher 532 Luft aus dem Verdichter 514 auf. Der Luftstrom zwischen der Strömungshülse 530 und dem Flammrohr 535 wird zu dem rückwärtigen Teil der Brennstoffdüsenanordnungen 510 und der sekundären Brennstoffdüsenanordnung 500 geleitet. Der Luftstrom 545 tritt in das rückwärtige Ende der Brennstoffdüsenanordnung 500 ein und strömt um den torusförmigen Ringverteiler 200 zwischen der Nabe des Zentralkörpers 565 und der Kappe des Zentralkörpers (Flammrohr) 570. Der torusförmige Ringverteiler 200 verteilt aus den Brennstoffmischlöchern 320 (8) in seiner stromab liegenden Oberfläche Brennstoff in den Luftstrom. Luft und sekundärer Gasbrennstoff vermischen sich 550 in dem Vormischvolumen 555 und können durch den Drallkörper 560 fließen, der sich zwischen dem Vorderende der Düsenspitze 580 und der Kappe 570 des Zentralkörpers befindet.
Die Konstruktion des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers, seine Tragarme sowie die Befestigung an der Nabe des Zentralkörpers wurden zuvor mit Bezug auf die 4–8 beschrieben. Die Brennkammer 600 umfasst diese beschriebenen Elemente des torusförmigen Ringverteilers 200. Ferner versteht es sich, dass während der erfindungsgemäße torusförmige Ringverteiler 200 mit einer Brennkammer gezeigt wird, verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers mit
Wie zuvor beschrieben, umfasst das torusförmige Ringverteilergehäuse ferner einen auf eine vorgegebene Höhe festgesetzten Radius, um die zumindest eine Lochreihe in dem Vormischvolumen zwischen der sekundären Brennstoffdüsenanordnung und dem Flammrohr radial auszurichten. Die vorgegebene Anordnung für die Vielzahl von Durchdringungen durch eine stromab liegende poloidale Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses umfasst vorzugsweise zwei Lochreihen, wobei die Positionen der Mittelpunkte der Löcher jeder Reihe in einem individuell vorgegebenen Winkel in Bezug auf den Ringquerschnitt festgelegt sind, was eine erste Lochreihe mit einer Mittelpunktposition der Löcher, die in einem vorgegebenen positiven Winkel in Bezug auf den Ringquerschnitt festgelegt ist, und eine zweite Lochreihe, mit einer Mittelpunktposition der Löcher, die in einem vorgegebenen negativen Winkel in Bezug auf den Ringquerschnitt festgelegt ist, umfasst. Der Durchmesser der einzelnen Löcher in der ersten Lochreihe kann kleiner sein als der Durchmesser der einzelnen Löcher der zweiten Lochreihe, und die Mittelpunkte der einzelnen Löcher in der ersten Lochreihe können in Umfangsrichtung in Bezug auf die Mittelpunkte der einzelnen Löcher der zweiten Lochreihe versetzt sein.
Ferner versteht es sich, dass während der erfindungsgemäße torusförmige Ringverteiler 200 mit einer Brennkammeranordnung gezeigt wird, verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit anderen Brennkammeranordnungen kombiniert werden können, die unterschiedliche Anordnungen und Kombinationen von Brennstoff-, Luft- und Wasserquellen, Strömungswegen und Auslass umfassen können.
Der oben beschriebenen Konstruktion liegt die Aufgabe zugrunde, ein gleichbleibendes Brennstoff-Luft-Verhältnis in dem Vormischvolumen stromab des torusförmigen Ringverteilers herzustellen. Es sollen sowohl die Schwankung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in Umfangsrichtung, als auch die radiale Schwankung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in dem Vormischvolumen und insbesondere am Ausgang des Drallkörpers reduziert werden. Die Anzahl einzelner Löcher in einer Lochreihe kann zur Reduzierung der Schwankung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in Umfangsrichtung benutzt werden. Die Ringhöhe und die Reihenwinkel der Mittelpunktspositionen der Lochreihen können zur Reduzierung der radialen Schwankung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses und zur Regelung des radialen Brennstoff-Luft-Austrittprofils stromab des Drallkörpers verwendet werden.
Es wurde ein für die Unvermischtheit stehender Parameter definiert, um die relative Leistung in verschiedenen Fällen mit unterschiedlichen Werten für Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konstruktion und nach dem Stand der Technik zu vergleichen. Unvermischtheit = Σ A_i(Φ_I–Φ_global)²/Σ A_i., wobei Ai = Bereich einer Zelle, Φ_I = Zell-Äquivalenzverhältnis und Φ_global = globales Äquivalenzverhältnis (0,4828). Für die sekundäre Brennstoffdüse einer existierenden Gaseinspritzrohrkonstruktion wurde eine Unvermischtheit von 0,06642 errechnet. Es wurde ein Entwurfsraum benutzt, um die Wirkung der einzelnen Lochpositionen und der Ringhöhe auf die Vormischung am Ausgang des Drallkörpers zu evaluieren. Eine Berechnung der Unvermischtheit wurde für folgende Bereiche der folgenden Parameter durchgeführt: Ringdurchmesser (0,35 – 0,45 Zoll/ca. 8,88 – 11,43 mm); Ringhöhe (1,2 – 1,7 Zoll/ca. 30,47 – 43,18 mm); Winkel θ₁ (0 – 120 Grad); Winkel θ2 (0 – 120 Grad).
Aufgrund einer stark ausgeprägten Linearität der Reaktionen war es schwierig, eine verlässliche Transferfunktion zu erhalten. Die Optimierung der Parameter wurde mit Sampling- und Meta-Modell-Verfahren durchgeführt. Die Unvermischtheit am Ausgang des Drallkörpers wurde für die oben beschriebenen Fälle berechnet. Die Ringhöhe- und Reihenwinkelparameter wurden zur Minimierung der Unvermischtheit optimiert, was ergab: Ringhöhe circa 1,35 Zoll (ca. 34,29 mm), Winkel θ₁ circa 58,7 Grad und Winkel θ₂ circa 1,7 Grad. Mit den optimierten Parametern wurde die Unvermischtheit am Drallkörperausgang als 0,01 berechnet, was beträchtlich unter der Unvermischtheit von 0,06642 der existierenden Gaseinspritzrohrkonstruktion liegt.
Der Querschnitt des torusförmigen Ringverteilers bietet ferner ein aerodynamisches Design in Bezug auf den zwischen dem Flammrohr und dem Düsenkörper strömenden Luftstrom, das anderen weniger aerodynamischen Anordnungen nach dem Stand der Technik überlegen ist. Zum Beispiel zeigt der erfindungsgemäße torusförmige Ringverteiler einen der Einpritzrohrkonstruktion nach dem Stand der Technik ungefähr äquivalenten Druckabfall, wodurch bei überlegener Vermischung weiterhin ein angemessener Durchfluss von Brennstoff und Luft durch das Vormischvolumen und den Drallkörper ermöglicht wird.
10A zeigt ein radiales Profil berechneter Unvermischtheit für die sekundäre Brennstoffdüse des Einspritzrohrs nach dem Stand der Technik. 10B zeigt ein radiales Profil berechneter Unvermischtheit für die se kundäre Brennstoffdüse mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers. Zusammengenommen zeigen die 10A und 10B die relative Unvermischtheit von Brennstoff und Luft auf einer Ebene am Drallkörperauslass, jeweils unter Verwendung der Einspritzrohre nach dem Stand der Technik und des erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilers. Die Vertikalachse stellt den Abstand im Vormischvolumen von der Außenseite der sekundären Brennstoffdüse zum Flammrohr dar. Die Horizontalachse stellt das Äquivalenzverhältnis bei spezifischen radialen Abständen von den Mittelpunkten dar. Bei der Gaseinspritzrohrkonstruktion schwankt das berechnete Äquivalenzverhältnis 1010 über den radialen Abstand zwischen 0,22 und 0,8. Bei der erfindungsgemäßen torusförmigen Ringverteilerkonstruktion schwankt das berechnete Äquivalenzverhältnis 1020 über den radialen Abstand zwischen 0,35 und 0,63, was auf ein sehr viel ausgeglicheneres Brennstoff-Luft-Verhältnis hinweist, wodurch eine ausgeglichenere Verbrennung stromab gefördert wird, mit der sich daraus ergebenden Reduzierung der Verbrennungsdynamik und der NO_x-Emissionen.
Während hier verschiedene Ausführungsformen beschrieben werden, ist aus der Beschreibung ersichtlich, dass unterschiedliche Kombinationen von Elementen sowie Abwandlungen oder Verbesserungen an ihnen vorgenommen werden können, die innerhalb des Anwendungsbereichs der Erfindung liegen.
Ein torusförmiger Ringverteiler für die wirksame Vermischung von Vormischbrennstoff mit Luft in der sekundären Düse einer Brennkammer für eine DLN-Gasturbine, wodurch für eine stabile Verbrennung bei niedrigen Stickoxidemissionen (NOx-Emissionen) gesorgt wird. Der torusförmige Ringvertei ler 200 ist um eine Zentralkörper-Nabe 565 einer sekundären Brennstoffdüsenanordnung 500 in einem Vormischvolumen 555 zwischen dem Nabenkörper 565 des Düsenzentralkörpers und einer Zentralkörperkappe 570 zentriert. Der Ringverteiler 200 erhält Brennstoff aus dem Düsenkörper und verteilt Vormischbrennstoff aus einer Vielzahl von Reihen aus einzelnen Löchern auf seiner stromab liegenden Oberfläche in einen Luftstrom 545. Die Anzahl und Position der Reihen, die Anzahl, Größe und Beabstandung der Löcher in jeder Reihe sowie die radiale Position des torusförmigen Ringverteilers 200 in dem Vormischvolumen 555 werden optimiert, um eine bessere Vormischung zu fördern.

12: Gasturbine
14: Verdichter
16: Brennkammer
18: Turbine
20: Übergangskanal
24: stromauf liegende Brennkammer
26: stromab liegende Brennkammer
28: Venturi-Halsbereich
30: Brennkammer-Strömungshülse
31: Außengehäuse der Brennkammer
32: Turbinengehäuse
36: primäre Düsen
38: sekundäre Brennstoffdüse
40: rückwärtige Wand
42: Luftdrallkörper
44: zylinderförmige Wand der Brennkammer
46: Luftschlitze
48: Luftschlitze
50: Zentralkörper
52: Flammrohr
54: Drallkörper
56: sekundäre Brennstoffdüsenanordnung
58: Gaskörper
60: äußerer Hülsenabschnitt
64: Brennstoff-Vormischkanal
66: Diffusionsbrennstoffkanal
68: axiale Luftkanäle
70: radiales Loch
75: Düsenkörper
77: Montageflansch
78: radiale Löcher
80: Gaseinspritzrohre
82: Löcher
90: Vormischvolumen
92: Pilotrohr
95: Wand
96: Drallschlitze
98: innere Bohrung
100: Pilotöffnung
116: Drallkörper
150: Brennstoffverteilvorrichtung
155: ringförmiger Brennstoffverteiler
160: Traghülse
165: Tragzylinder
170: Löcher
180: stromab liegende Fläche
185: Löcher
186: erster radialer Abstand
187: zweiter radialer Abstand
188: Mittelachse
200: torusförmiger Ringverteiler
210: Gehäuse
215: Ringquerschnitt
220: poloidale Achse
225: torusförmige Achse
230: Mitte des Ringquerschnitts
235: Höhe des Ringverteilers
236: Durchmesser des Ringquerschnitts
237: Außenoberfläche
238: obere Oberfläche
239: untere Oberfläche
240: Mitte des Ringverteilers
245: Äquator
250: erster Punkt auf dem Gehäuse
255: zweiter Punkt auf dem Gehäuse
260: erster Reihenwinkel/Winkel der ersten Reihe
265: parallel zur poloidalen Achse durch die Mitte des Ringabschnitts verlaufende Linie
270: Linie zwischen der Mitte des Ringabschnitts und dem Punkt auf der Gehäuseoberfläche
275: zweiter Reihenwinkel/Winkel der zweiten Reihe
280: Positionen der Mittelpunkte der einzelnen Löcher der ersten Reihe
285: Positionen der Mittelpunkte der einzelnen Löcher der zweiten Reihe
290: zentraler Hohlraum
291: stromab liegende Oberfläche
295: Durchdringung
297: Gewinde
300: Tragarm
305: Längsachse des Düsenkörpers
310: Loch der ersten Reihe
315: Loch der zweiten Reihe
320: Brennstoffmischloch
325: Hohlraum des Tragelements
326: inneres radiales Ende
327: äußeres radiales Ende
328: Gewinde
330: Gehäuseabschnitt
350: Düsenzentralkörper
351: Wand
355: Vormischbrennstoff
360: Vormischbrennstoffkanal
365: radiales Loch
366: Gewinde
361: Gewinde
365: radiales Loch
380: Vormischvolumen
390: Kappe des Zentralkörpers
395: Nabe des Zentralkörpers
400: Düsenkörper
405: Längsachse des Düsenkörpers
410: Düsenspitze
415: Heizölhohlraum
420: sekundärer Brennstoffhohlraum
421: sekundärer Brennstoffkanal
422: sekundärer Brennstoffhohlraum
423: Einspritzwasserhohlraum
425: Tertiärer Brennstoffhohlraum
430: Drallkörper
435: Heizölanschluss
436: sekundärer Gasbrennstoffanschluss
437: tertiärer Gasbrennstoffanschluss
438: Einspritzwasserhohlraum
440: Pilotlöcher
450: Weg des Luftstroms
500: sekundäre Brennstoffdüsenanordnung
514: Verdichter
515: primäre Brennstoffdüsenanordnung
518: Turbinenschaufel
520: Übergangskanal
526: Brennkammer
530: Strömungshülse
532: Strömungshülsenlöcher
535: Flammrohr
540: Brennstoffanschlüsse
545: Luft zum sekundären Vormischvolumen
550: Luft-Brennstoff-Gemisch
555: Vormischvolumen
565: Nabe des Zentralkörpers
570: Kappe des Zentralkörpers
1010: Äquivalenzverhältnis nach dem Stand der Technik
1020: Äquivalenzverhältnis mit dem torusförmigen Ringverteiler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6446439 [0011]
- US 6282904 [0011]

Claims

Torusförmiger Ringverteiler (200) zur Verteilung von Brennstoff in eine Vormischzone einer sekundären Brennstoffdüse einer Dry-Low-NO_x-Gasturbinenbrennkammer (DLN-Gasturbinenbrennkammer), wobei der torusförmige Ringverteiler umfasst: ein im Allgemeinen torusförmiges Gehäuse (210) des torusförmigen Ringverteilers mit einem zentralen Hohlraum (290) innerhalb des Gehäuses; eine Vielzahl radialer Durchdringungen (295) einer inneren Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses (210), wobei jede der vielen Durchdringungen (295) sich in den zentralen Hohlraum (290) erstreckt und in einer vorgegebenen Anordnung auf der inneren Oberfläche angeordnet ist; eine Vielzahl Tragarme (300), die sich von der inneren Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses (210) erstrecken, wobei an jeder der vielen radialen Durchdringungen (295) einer der vielen Tragarme (300) an dem torusförmigen Ringverteilergehäuse (210) befestigt ist und sich radial einwärts von der inneren Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses (210) erstreckt, wobei der Tragarm (300) ferner einen axialen inneren Hohlraum (325) zum Transport von Brennstoff von einem inneren radialen Ende zu einem äußeren radialen Ende des torusförmigen Ringverteilergehäuses enthält und eine Vielzahl von Durchdringungen (320) durch eine poloidale Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses (210), wobei die Vielzahl von Durchdringungen (320) gemäß einer vorgegebenen Anordnung angeordnet ist.
Torusförmiger Ringverteiler (200) nach Anspruch 1, wobei jeder aus der Vielzahl von Tragarmen umfasst: eine Einrichtung (328) am inneren radialen Ende zum Anbringen des Tragarms (300) an einer Brennstoffquelle und eine Einrichtung (329) am äußeren radialen Ende zum Anbringen des Tragarms (300) an dem torusförmigen Ringverteiler (200), wobei die Einrichtung eine Verbindung mit Gewinde umfassen kann.
Torusförmiger Ringverteiler (200) nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Anordnung der Vielzahl von Durchdringungen (320) durch eine poloidale Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses (210) umfasst: zumindest eine Lochreihe, wobei die Positionen der Mittelpunkte der Löcher (280, 285) jeder Reihe in einem individuell vorgegebenen Winkel (260, 275) in Bezug auf einen Ringquerschnitt (215) festgelegt sind.
Torusförmiger Ringverteiler (200) nach Anspruch 3, wobei die einzelnen Löcher (310, 315) jeder Reihe aus der zumindest einen Reihe von Löchern in Umfangsrichtung entlang der Positionen der Mittelpunkte (280, 285) der Löcher jeder Reihe gleich beabstandet sind.
Torusförmiger Ringverteiler nach Anspruch 4, wobei: die einzelnen Löcher (310, 315) in jeder Reihe der zumindest einen Lochreihe denselben Durchmesser aufweisen; die Löcher in separaten Reihen (280, 285) der zumindest einen Lochreihe entweder denselben oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen können und ein torusförmiger Radius des torusförmigen Ringverteilergehäuses (210) auf eine vorgegebene Größe festgelegt ist, um die zumindest eine Lochreihe (280, 285) in Bezug auf die poloidale Achse (225) zu positionieren.
Torusförmiger Ringverteiler nach Anspruch 3, wobei die vorgegebene Anordnung der Vielzahl von Durchdringungen durch eine poloidale Oberfläche des torusförmigen Ringverteilergehäuses umfasst: zwei Lochreihen, wobei die Positionen der Mittelpunkte der Löcher für jede Reihe in einem eigenen vorgegebenen Winkel in Bezug auf den Ringquerschnitt festgelegt sind.
Torusförmiger Ringverteiler nach Anspruch 6, wobei die zwei Lochreihen mit Positionen für die Mittelpunkte der Löcher, die für jede Reihe in einem eigenen vorgegebenen Winkel in Bezug auf den Ringquerschnitt (215) festgelegt sind, umfassen: eine erste Lochreihe, wobei die Positionen für die Mittelpunkte der Löcher (280) für die erste Reihe in einem vorgegebenen positiven Winkel in Bezug auf den Ringquerschnitt (215) festgelegt sind und eine zweite Lochreihe, wobei die Positionen für die Mittelpunkte der Löcher (285) für die Reihe in einem vorgegebenen negativen Winkel in Bezug auf den Ringquerschnitt (215) festgelegt sind.
Torusförmiger Ringverteiler (200) nach Anspruch 7, wobei der Durchmesser der einzelnen Löcher in der ersten Lochreihe kleiner ist als der Durchmesser der einzelnen Löcher in der zweiten Lochreihe.
Torusförmiger Ringverteiler (200) nach Anspruch 7, wobei die Mittelpunkte der einzelnen Löcher in der ersten Lochreihe in Bezug auf die Mittelpunkte der einzelnen Löcher in der zweiten Lochreihe in Umfangsrichtung versetzt sind.
Torusförmiger Ringverteiler (200) nach Anspruch 7, wobei die Höhe (235) des Mittelpunkts eines Querschnitts (215) des Ringverteilers (200) mit dem Zweck festgelegt ist, die Mischung des aus den einzelnen Löchern austretenden Brennstoffs mit der an dem Verteiler vorbeiströmenden Luft zu optimieren.