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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Primärdüse
einer Brennkammer für eine DLN-Gasturbine und im Einzelnen
auf die Eignung der Primärdüse für zwei
Gasbrennstoffe zum Betrieb mit Erdgas und mit Synthesegas.
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Die
behördlichen Anforderungen an niedrige Emissionen von Gasturbinenkraftwerken
sind über die Jahre hinweg immer strenger geworden. Umweltbehörden
fordern nun weltweit noch niedrigere Emissionswerte von NOX und anderen Schadstoffen sowohl bei neuen
als auch bei vorhandenen Gasturbinen. Die traditionellen Verfahren
zur Verringerung der NOX-Emissionen aus
Verbrennungsturbinen (Wasser- und Dampfinjektion) sind in ihrer
Eignung zum Erreichen der an vielen Orten verlangten, extrem niedrigen
Werte beschränkt.
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Dry
Low NOX (DLN)-Systeme der General Electric
Company integrieren einen gestuften Vormischverbrennungsprozesses,
und das Gasturbinen-SpeedtronicTM steuert
den Brennstoff und die zugehörigen Systeme. Derartige Systeme
können zwei Hauptwirkungsweisen aufweisen. Eine Maßnahme ist
das Einhalten der Emissionswerte, die bei Grundlast sowohl für
Gas- als auch für Ölbrennstoff gefordert werden,
während die Variation dieser Werte über den Lastbereich
der Gasturbine hinweg kontrolliert wird. Die zweite Maßnahme
ist die Systembetreibbarkeit bzw. -operabilität. Die Konstruktion
eines DLN-Verbrennungssystems erfordert auch Hardwarefunktionen
und Betriebsverfahren, die es gleichzeitig ermöglichen,
dass ein Äquivalenzverhältnis und eine Verweildauer
in der Flammenzone (für die Emissionssteuerung kritische
Verbrennungsparameter) niedrig genug sind, um niedrige NOX-Werte, aber akzeptable Werte des Verbrennungsgeräuschs
(Dynamik), die Stabilität bei Teillastbetrieb und eine
ausreichende Zeit für den CO-Ausbrand zu erreichen.
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Die
Brennkammer DLN-1 der General Electric Company ist eine zweistufige
Vormischbrennkammer, die zur Benutzung mit Erdgasbrennstoff ausgelegt
und zum Betrieb mit flüssigem Brennstoff eingerichtet ist.
Die Brennkammer weist ein Brennstoffinjektionssystem auf, das eine
Sekundärbrennstoffdüse enthält, die auf
der Zentralachse der Brennkammer angeordnet ist, die von einer Anzahl
von symmetrisch um die Sekundärbrennstoffdüse
herum angeordneten Primärbrennstoffdüsen umgeben
ist. Die DLN-1-Brennkammer behält sehr niedrige Abgasemissionswerte
bei, während sie unter Anwendung von Magervormischkonzepten
hohe Effizienzwerte aufrechterhält. Bei einem Magervormischungsverbrennungsvorgang
werden der Brennstoff und die Luft getrennt von den Versorgungsquellen
mit unterschiedlichen dynamischen Eigenschaften bezogen auf die
Vormischzone zugeführt. Derartige Magervormischverbrennungsprozesse
sind Gegenstand von schwach begrenzten Schwingungszyklen, die sich verstärken
können, was zu starken Fluktuationen des Gasdrucks und
der Temperatur führt, wie es als Verbrennungsdynamik bekannt
ist. Ein überhöhter verbrennungsdynamischer Druck
kann zu Schäden an der Brennkammer führen. Die
verbrennungsdynamischen Druckwerte für Magervormischverbrennungssysteme
werden verringert, indem die dynamische Antwort der Brennstoff-
und Luftzufuhrsysteme an den Vormischer angepasst wird. Die Primärdüse
der DLN-1-Brennkammer verringert die dynamischen Druckfluktuationen
in der Vormischerzone der Brennkammer, indem der Druckabfall über
den Luft- und Brennstoffeinlässen in die Vormischerzone
im Wesentlichen ausgeglichen wird. Der Ausgleich wird teilweise
durch Anbringen einer Öffnung in der Brennstoffkammer der
Primärdüse stromaufwärts der Austrittsöffnung
von der Brennstoffkammer in den Vormixer ausgeführt. Die
stromaufwärtige Öffnung bewirkt einen Brennstoffdruck
in der Brennstoffkammer, der dem Druck des Lufteinlasses vergleichbar
ist, und die Austrittsöffnung bewirkt einen Brennstoffdruckabfall, der
dem Druckabfall der Luftzufuhr äquivalent ist. Die sich
ergebenden Druckfluktuationen in der Vormischerzone, die von Schwingungen
der Brennstoff/Luft-Konzentrationen stammen, werden im Wesentlichen
minimiert oder beseitigt, wie es in dem
US-Patent 5 211 004 von Black beschrieben
ist.
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Die
DLN-1-Brennkammern werden weit verbreitet verwendet. Diese Brennkammern
wurden jedoch hauptsächlich für die Verbrennung
von Erdgas ausgelegt. Gemäß neuen Kundenanforderungen wird
gewünscht, dass die Brennkammern mit Blick auf die Verfügbarkeit
von alternativen gasförmigen Brennstoffen und gestiegene
Kosten für den Brennstoff Erdgas eine breitere Brennstoffflexibilität
aufweisen. Im Einzelnen würden die Kunden eine Brennkammer
wünschen, die zum Betrieb mit einem gemischten Synthesegas
und ebenfalls zum Betrieb mit Erdgas alleine (zweibrennstoffflexibel)
in der Lage ist. Syngas bzw. Synthesegas ist der Name, der einer
Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid und manchmal Kohlendioxid
gegeben worden ist. Gemischtes Synthesegas kann eine Mischung aus
Erdgas, Wasserstoff und Kohlenmonoxid sein. Synthesegas ist brennbar
und wird häufig als Energieträger verwendet, weist
jedoch weniger als die Hälfte der volumetrischen Energiedichte
von Erdgas auf. Weil der Volumendurchsatz bei Synthesegas für
die gleiche Flammentemperatur der Verbrennung mehr als das Doppelte
des Volumendurchsatzwertes von Erdgas betragen muss, wird das Druckverhältnis
des Synthesegasbrennstoffes extrem hoch (über 1,7) sein,
wenn die gleiche Primärdüse, die gegenwärtig für
den Brennstoff Erdgas verwendet wird, auch zum Betrieb mit Synthesegas
verwendet wird. Ein so hohes Brennstoffdruckverhältnis
kann zusätzliche Verdichter für die Brennstoffzufuhr
erfordern.
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Frühere
Zweibrennstoffdüsenausführungen konzentrierten
sich eher auf Zweibrennstoffanwendungen mit gasförmigem
und flüssigem Brennstoff als auf zwei gasförmige
Brennstoffe mit stark voneinander abweichenden Wobbezahlen. Die
Wobbezahl bzw. der Wobbeindex eines Brennstoffs ist hier durch die
Division des oberen Heizwertes des Brennstoffs in Btu (für
British Thermal Unit, entspricht 1,05506 kJ) pro Standardkubikfuß (entspricht
0,028317 m
3) durch die Quadratwurzel seines
spezifischen Gewichts im Verhältnis zur Luft definiert.
Je höher die Wobbezahl eines Gases ist, desto größer
ist der Heizwert einer Menge dieses Gases. Andere Zweibrennstoffpatente einschließlich
der
US 6 837 052 von
Martling sehen das Hinzufügen weiterer Düsen vor,
was eine Umstrukturierung der Brennkammergeometrie erfordert.
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Dementsprechend
besteht Bedarf an der Schaffung einer DLN-1-Brennkammer mit der
Eignung zum Betrieb mit zwei Brennstoffen, wobei die beiden Brennstoffe
zwei gasförmige Brennstoffe mit stark voneinander abweichenden
Wobbezahlen enthalten. Ebenfalls besteht Bedarf an der Herstellung einer
derartigen Zweibrennstofftauglichkeit ohne größere
Abwandlungen der gesamten Brennkammerstruktur. Weiterhin sollte
die Düsenkonstruktion die Betreibbarkeit mit Erdgas nicht
beeinträchtigen und sollte sicherstellen, dass die Synthesegasverbrennung
eine der Verbrennung von Erdgas in den Begriffen von Strömung,
Mischung, Dynamik und Emissionsmustern vergleichbare Effizienz gewährleistet.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Kurz
gesagt wird gemäß einem Aspekt eine Zweibrennstoffprimärdüse
für eine Brennkammer einer Gasturbine geschaffen, die mit
einer Sekundärdüse und einer Anzahl der Primärdüsen
betrieben wird. Die Primärdüsen sind konzentrisch
um die Sekundärdüse herum angeordnet, wobei der Zweibrennstoffprimärdüse
ein gasförmiger Brennstoff, der einen ersten Gasbrennstoff
oder einen zweiten Gasbrennstoff enthält, verdichtete Luft
von dem Gasturbinenverdichter und Spülluft zugeführt werden.
Die Zweibrennstoffprimärdüse enthält
eine Mischkammer. Eine äußere Brennstoffleitung
wird in Fluidverbindung mit der Mischkammer geschaffen und zum Zuführen
eines verwirbelten Gemischs von Luft und entweder dem ersten Gasbrennstoff
oder dem zweiten Gasbrennstoff eingerichtet. Eine innere Brennstoffleitung
wird in Fluidverbindung mit der Mischkammer geschaffen und ist zum
Zuführen von Spülluft, wenn die äußere
Brennstoffleitung den ersten Gasbrennstoff liefert, und zum Zuführen
des zweiten Gasbrennstoffs eingerichtet, wenn die äußere
Brennstoffleitung den zweiten Gasbrennstoff liefert.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen einer Zweibrennstoffprimärdüse für
eine Brennkammer einer DLN1-Gasturbine geschaffen, die mit einer
Sekundärdüse betrieben wird, die auf einer Zentralachse
der Brennkammer angeordnet ist, wobei mehrere der Primärdüsen
konzentrisch um die Sekundärdüse herum angeordnet
sind. In dieser Anordnung können der Zweibrennstoffprimärdüse
ein erster Gasbrennstoff, ein zweiter Gasbrennstoff, verdichtete
Luft von dem Gasturbinenverdichter und Spülluft zugeführt werden.
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Das
Verfahren enthält das Herstellen eines Hauptkörpers,
einer Mischkammer stromabwärts von dem Hauptkörper
und eines Verwirblers, der an einem vorderen Ende des Hauptkörpers
und stromaufwärts von der Mischkammer angeordnet ist. Der
Verwirbler enthält mehrere Verwirblerleitschaufeln, die sich
radial von dem Hauptkörper ausgehend erstrecken. Der Verwirbler
enthält auch Mittel zur Fluidverbindung mit einer äußeren
Kammer des Hauptkörpers, um den Eintritt entweder des ersten
Gasbrennstoffs oder des zweiten Gasbrennstoffs zu ermöglichen,
und mit der Mischkammer, um ein verwirbeltes Gemisch von verdichteter
Luft und entweder dem ersten Gasbrennstoff oder dem zweiten Gasbrennstoff,
die von der äußeren Kammer in die Mischkammer
eingedüst worden sind, abzugeben. Das Verfahren enthält
auch die Bildung einer zentralen Kammer in dem Hauptkörper,
wobei die zentrale Kammer zur Aufnahme von entweder einem zweiten
Gasbrennstoff oder Spülluft aus einer inneren Brennstoffleitung eingerichtet
ist, und enthält Mittel zur Fluidverbindung zur Abgabe
an die Mischkammer. Das Verfahren enthält weiterhin die
Bildung einer äußeren Kammer in dem Hauptkörper,
wobei die äußere Kammer zur Aufnahme entweder
des ersten Gasbrennstoffs oder des zweiten Gasbrennstoffs aus einer äußeren Brennstoffleitung
eingerichtet ist, und enthält Mittel zur Fluidverbindung
zur Abgabe des ersten Gasbrennstoffs oder des zweiten Gasbrennstoffs
in die mehreren Verwirblerleitschaufeln des Verwirblers.
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Weiterhin
nimmt das Verfahren verdichtete Luft aus einem äußeren
Volumen (der Kammer am Kopfende) auf, das von einer Außenwand
der äußeren Kammer des Hauptkörpers nach
innen radial begrenzt und auf einer stromabwärtigen Seite
durch die Verwirblerleitschaufeln des Verwirblers begrenzt ist, wobei
das äußere Volumen zur Aufnahme von verdichteter
Luft aus dem Gasturbinenverdichter zum Mischen mit entweder dem
ersten Gasbrennstoff oder dem zweiten Gasbrennstoff aus der äußeren Kammer
durch die Verwirblerleitschaufeln eingerichtet ist.
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Entweder
der erste Gasbrennstoff oder der zweite Gasbrennstoff wird in der äußeren
Kammer von der äußeren Brennstoffleitung aufgenommen.
In der zentralen Kammer wird Spülluft aus der inneren Brennstoffleitung
aufgenommen, wenn der äußeren Kammer der erste
Gasbrennstoff zugeführt wird. Das Verfahren nimmt auch
den zweiten Gasbrennstoff aus der inneren Brennstoffleitung in die
zentrale Kammer auf, wenn der äußeren Kammer der
zweite Gasbrennstoff zugeführt wird und ein Druckverhältnis für
die äußere Brennstoffleitung einmal einen vorbestimmten
Wert erreicht.
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Das
Brennstoffdruckverhältnis für die innere Brennstoffleitung
und die äußere Brennstoffleitung wird unterhalb
des vorbestimmten Wertes gehalten, wenn sowohl in der inneren Brennstoffleitung
als auch in der äußeren Brennstoffleitung mit
dem zweiten Gasbrennstoff gearbeitet wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Betrieb mit einer Zweibrennstoffprimärdüse für
eine Brennkammer einer DLN1-Gasturbine geschaffen, die mit einer Sekundärdüse
betrieben wird, die auf einer Zentralachse der Brennkammer angeordnet
ist, wobei mehrere Primärdüsen konzentrisch um
die zentrale Düse herum angeordnet sind, wobei ein erster
Gasbrennstoff, ein zweiter Gasbrennstoff, verdichtete Luft aus dem
Gasturbinenverdichter und Spülluft der Zweibrennstoffprimärdüse
zugeführt werden. Das Verfahren enthält die Bildung
einer äußeren Brennstoffleitung, die Bildung einer
inneren Brennstoffleitung und die Aufnahme verdichteter Luft aus
einem äußeren Volumen, das nach innen radial durch
eine äußere Wand der äußeren
Kammer des Hauptkörpers begrenzt und auf einer stromabwärtigen
Seite durch die Leitschaufeln des Verwirblers begrenzt ist, wobei
das äußere Volumen zur Aufnahme von verdichteter
Luft aus dem Gasturbinenverdichter zur Mischung mit entweder dem
ersten Gasbrenn stoff oder dem zweiten Gasbrennstoff aus der äußeren
Kammer durch die Verwirblerleitschaufeln eingerichtet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen
wird, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente in den
Zeichnungen bezeichnen.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbinenanlage;
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2 ist
eine vereinfachte Ansicht einer DLN-Brennkammer;
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3A stellt
einen axialen Schnitt durch eine Ausführungsform der Zweibrennstoffprimärdüse dar;
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3B stellt
den Strom von Brennstoff und Luft durch die Primärdüse
dar;
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4 stellt
eine Ausführungsform einer Zweibrennstoffprimärdüse
von der stromabwärtigen Mischkammer aus betrachtet dar;
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Die 5A und 5B stellen
für eine Ausführungsform der Zweibrennstoffprimärdüse
einen Vergleich der Strömung und Vermischung in der Mischkammer
zwischen Erdgasbetrieb mit und ohne Luftspülung dar; und
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Die 6A und 6B stellen
für eine Ausführungsform der Zweibrennstoffprimärdüse
einen Vergleich der Strömung und Vermischung in der Mischkammer
zwischen Erdgas- und Synthesegasbetrieb dar.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
weisen zahlreiche Vorteile einschließlich der Möglichkeit
der Primärdüsen einer DLN-1-Brennkammer zur alternativen
Verbrennung eines ersten Gasbrennstoffs oder eines zweiten Gasbrennstoffs
auf, wobei die zwei Gasbrennstoffe einen erheblich voneinander verschiedenen
Energiegehalt aufweisen können. In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung könnte der erste Gasbrennstoff
Erdgas und der zweite Gasbrennstoff Synthesegas sein. Weiterhin
könnte der Brennstoff Synthesegas ein 20%/36%/44%-Gemisch von
Erdgas/Wasserstoff/Kohlenmonoxid (Erdgas/H2/CO) sein. Diese Erfindung
leitet die Konstruktion der Primärdüse der DLN-Brennkammer
für den Zweibrennstoffbetrieb (Erdgas und H2/CO-Synthesegasgemisch)
an, während die Gesamteffizienz erhalten bleibt.
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Dieser
Gesamtkonstruktionsansatz für die Brennkammer besteht in
der Verbrennung von Erdgas in der Sekundärdüse
bei einer Eignung der Primärdüsen für
zwei Brennstoffe. Demnach kann die Brennkammer nunmehr mit 100%
Erdgas, das die Sekundärdüse speist, und Synthesegas,
das die Primärdüsen speist, arbeiten oder kann
weiterhin wie zuvor mit 100% Erdgas für die Sekundärdüse
und 100% Erdgas für die Primärdüsen betrieben
werden.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbinenanlage 100.
Die Anlage 100 enthält einen Verdichter 102 und
mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Brennkammern 104. Die
Anlage enthält auch eine Turbine 108 und eine gemeinsame
Verdichter-/Turbinenwelle 110 (die manchmal auch als Rotor 110 bezeichnet
wird).
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Im
Betrieb strömt Luft durch den Verdichter 102,
so dass den Brennkammern 104 verdichtete Luft zugeführt
wird. Einem Brennkammerbereich innerhalb der Brennkammern wird Brennstoff
zugeleitet, wobei der Brennstoff mit Luft gemischt und gezündet
wird. Es werden Verbrennungsgase erzeugt und zu der Turbine 108 geleitet,
wobei thermische Energie des Gasstroms in mechanische Rotationsenergie
umgewandelt wird. Die Turbine 108 ist drehbar mit der Welle 110 gekoppelt
und treibt diese an. Es sollte erkannt werden, dass der Ausdruck „Fluid”, wenn
er hierin verwendet wird, ein beliebiges Medium oder Material umfassen
kann, das strömt, und nicht auf Gas und Luft beschränkt
ist.
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2 ist
eine vereinfachte Ansicht einer DLN-Brennkammer 205. Ein
Brennstoffinjektionssystem für die Brennkammer enthält
eine Sekundärdüse 210 und mehrere Primärdüsen 220,
die radial um die Sekundärdüse herum angeordnet
sind. Aus dem (nicht gezeigten) Verdichter wird Druckluft 233 durch einen
Strömungskanal in einem Übergangselement zwischen
der (nicht gezeigten) Brennkammer und danach durch einen Brennkammerkühlkanal 228 zwischen
einer Strömungsbüchse 235 und dem Flammrohr 240 geleitet.
Die Druckluft 233 strömt weiter in einen Hohlraum 236,
der die Primärdüsen 220 und die Sekundärdüse 210 umgibt.
Die Primärdüsen und die Sekundärdüse
sind an der Endabdeckung 245 gehaltert.
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In
dem Vormischmodus wird sowohl den Primärdüsen
als auch der Sekundärdüse Brennstoff zugeführt.
Bei den Primärdüsen werden Brennstoff und Luft
in Mischkammern 225 gemischt. Die Mischkammer kann von
der Brennkammerhauptwand 241, der Kappe bzw. dem Zentralkörper 242 und
einer vorderen Wand 243 eines Venturirohres 244 gebildet
werden. Der Brennstoff und die Luft werden in der Verbrennungskammer 250 gezündet.
Das Gehäuse 230 isoliert die Brennkammer 250 von
der äußeren Umgebung, wie etwa umliegenden Turbinenkomponenten.
Die erzeugten Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer 250 durch
ein (nicht gezeigtes) Übergangselement zu der (nicht gezeigten)
Turbinendüse geleitet.
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Erdgas
und Synthesegas weisen einige sehr unterschiedliche Eigenschaften
auf, die den Betrieb in einer gemeinsamen Brennstoffdüse
beeinträchtigen. Weil der Volumendurchsatz bei Synthesegas mehr
als doppelt so hoch ist wie der zur Erzeugung der gleichen Flammentemperatur
der Verbrennung bei Erdgas erforderliche Wert, würde das
Brennstoffdruckverhältnis des Synthesegases extrem hoch (über
1,7) sein, wenn dieselbe Primärdüse wie für den
Brennstoff Erdgas verwendet werden müsste. Das extrem hohe
Druckverhältnis, das zum Antreiben des größeren
erforderlichen Volumenstroms von Synthesegas notwendig wäre,
ist nicht akzeptabel, weil zusätzliche Verdichter benötigt
würden, um den Gasbrennstoff auf einen so hohen Druck zu
verdichten. Um die Betreibbarkeit der Primärdüsen
mit Erdgas zu erhalten und zur gleichen Zeit ihr Druckverhältnis
bei Synthesegasbetrieb zu verringern, enthält die Primärdüse
demnach eine äußere Brennstoffleitung und eine
innere Brennstoffleitung. Beim Betrieb mit Erdgas strömt
das Erdgas nur durch die äußere Brennstoffleitung
hindurch, während die innere Brennstoffleitung luftgespült
ist. Beim Synthesegasbetrieb strömt das Synthesegas zu
Beginn durch die äußere Brennstoffleitung. Sobald
das Druckverhältnis der Brennstoffinjektion der äußeren
Brennstoffleitung einen vorbestimmten Wert erreicht (etwa 1,4, was
für den Düsenbetrieb als akzeptabel angesehen wird),
wird die innere Brennstoffleitung geöffnet, um das Brennstoffdruckverhältnis
für jede Düse sowohl an der inneren als auch an
der äußeren Brennstoffleitung unterhalb des vorbestimmten
Wertes zu halten. Gleichzeitig behält die Zweibrennstoffprimärdüse
die wünschenswerten Eigenschaften der Original-DLN-1-Primärdüse
bezogen auf die Magermischung und die Emissionskontrolle bei. Weiterhin bietet
die Zweibrennstoffprimärdüse eine Verringerung
der dynamischen Druckschwankungen in der Brennkammervormischerzone,
indem der Druckabfall über dem Luft- und Brennstoffeinlass
in die Vormischerzone im Wesentlichen ausgeglichen wird.
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Demnach
wird eine Eignung für zwei Brennstoffe durch das Hinzufügen
einer zweiten Brennstoffleitung, aber ohne die Notwendigkeit einer Änderung
der Anzahl der Düsen oder die Vornahme erheblicher Abwandlungen
an der Struktur der Brennkammer erreicht. Zwei Brennstoffleitungen
können zahlreiche Vorteile aufweisen und viele Kombinationen
von Brennstoffarten, Luft und Verdünnungsmittel zur Injektion
in die Brennkammer zulassen. Zwei Brennstoffleitungen ermöglichen
auch eine gemeinsame Feuerung mit zwei verschiedenen Arten von Brennstoff
mit getrennter Steuerung. Zwei Brennstoffleitungen ermöglichen
eine effiziente Steuerung der Brennstoff/Luft-Mischprofile, Dynamik,
primären Vorzündung und Emissionen durch eine
Veränderung der Brennstoffaufteilung zwischen der inneren und
der äußeren Brennstoffleitung. Zwei Brennstoffleitungen
ermöglichen auch die Verdünnungsmittelinjektion
durch eine der Leitungen in die Primärkammer. Jede der
Brennstoffleitungen kann mit Luft oder Verdünnungsmittel
gespült werden.
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Im
Einzelnen kann die innere Brennstoffleitung bei allen gasförmigen
Brennstoffen in einem beständigen Diffusionsverbrennungsmodus
betrieben werden. Die innere Brennstoffleitung bewirkt eine schnelle
Brennstoff/Luft-Mischung stromabwärts von der Düse.
Eine Luftspülung oder Verdünnungsmittelspülung
durch die innere Brennstoffleitung führt auch zu einer
vernachlässigbaren Beeinträchtigung des Erdgasbetriebs,
der durch die äußere Brennstoffleitung ermöglicht
wird.
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Um
die Betreibbarkeit der Primärdüse mit Erdgas zu
erhalten und gleichzeitig ihr Druckverhältnis bei Synthesegasbetrieb
zu verringern, ist eine Zweibrennstoffprimärdüse
geschaffen worden, wie sie in den 3A, 3B und 4 dargestellt
ist. 3A stellt einen axialen Schnitt durch eine Ausführungsform
der Zweibrennstoffprimärdüse dar. 3B stellt
den Brennstoff- und Luftstrom durch die Primärdüse
dar. 4 stellt eine Ansicht der Zweibrennstoffprimärdüse
von der stromabwärtigen Mischkammer aus dar. Die Zweibrennstoffprimärdüse 300 weist
einen Hauptkörper 310, einen Verwirbler 320 an
einem vorderen Ende des Hauptkörpers und eine Mischkammer 330 stromabwärts
von dem Hauptkörper und dem Verwirbler auf. Der Hauptkörper
weist eine äußere Brennstoffleitung 301 und
eine innere Brennstoffleitung 302 auf. Ein Drucklufteinlass 340 ist
außerhalb der Düse 300 für verdichtete
Luft von dem Verdichter für die Gasturbine zum Eintritt
in die Verdichterleitschaufel 325 des Verwirblers 320 angeordnet.
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Die äußere
Brennstoffleitung 301 weist eine Primärkammer 350,
die einen Gasbrennstoff von einer äußeren Gaszufuhr
durch eine (nicht gezeigte) Rückplatte der Brennkammer
aufnimmt, und eine Sekundärkammer 360 auf, die
den Gasbrennstoff aus der Primärkammer 350 aufnimmt.
Die Primärkammer 350 und die Sekundärkammer 360 können
ringförmig konzentrisch um die Zentralachse 305 der
Düse 300 herum angeordnet sein. Die Primärkammer 350 und die
Sekundärkammer 360 können durch eine
Kammertrennwand 352 getrennt sein, die eine Anzahl von Voröffnungen 355 aufweist,
die den Strom des Gasbrennstoffs zwischen den Kammern kontrollieren.
Ein vorderes Ende 362 der Sekundärkammer 360 kann eine
Anzahl von Injektionsöffnungen 365 zur Abgabe des
Gasbrennstoffs in den Verwirbler 320 zur Vermi schung mit
der verdichteten Luft 340 aus einem Verdichter der Gasturbine
(1) aufweisen.
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Die
innere Brennstoffleitung 302 enthält eine Zentralkammer 370,
die konzentrisch um die Zentralachse 305 der Düse 300 angeordnet
ist und einen Gasbrennstoff von einer äußeren
Gaszufuhr durch die (nicht gezeigte) Rückplatte der Brennkammer aufnimmt.
Die Zentralkammer 370 kann von der Primärkammer 350 und
der Sekundärkammer 360 der ersten Brennstoffleitung 301 durch
eine ringförmige Wand 372 radial abgetrennt sein
und sich an einem vorderen Ende 374 verjüngen.
Eine konische Nase 375 des vorderen Endes 374 der
Zentralkammer 370 kann sich durch das Zentrum des Verwirblers 320 in die
Mischkammer 330 hinein erstrecken, wodurch ein Austritt
aus der inneren Brennstoffleitung 302 direkt in die Mischkammer 330 hinein
ermöglicht wird. Die konische Nase 375 kann eine
Anzahl von Injektionsöffnungen aufweisen. In einer bevorzugten
Ausführungsform kann eine zentrale Injektionsöffnung 377 entlang
der Zentralachse 305 der Düse 300 angeordnet
sein, während acht äußere bzw. Randinjektionsöffnungen 378 radial
und in Umfangsrichtung symmetrisch um die zentrale Injektionsöffnung 377 herum
angeordnet sein können, wobei sie einen Injektionswinkel 379 bezogen
auf die Zentralachse aufweisen. Die Größe der
Injektionsöffnungen, der Injektionswinkel und die Positionen
können so angeordnet sein, dass sie die Auswirkungen auf
die Effizienz der Zweibrennstoffprimärdüse bezogen
auf die ursprüngliche DLN-Primärdüse
optimieren und die Unterschiede bezogen auf den Düsenauslass
nur lokal begrenzen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Zweibrennstoffprimärdüse
können die mehreren Voröffnungen 355 acht
axial gerichtete Öffnungen enthalten, die radial und in
Umfangsrichtung symmetrisch um die Zentralachse 305 der
Düse 300 herum angeordnet sind. Die bevorzugte
Ausführungsform kann 16 Injektionsöffnungen 365 durch
das vordere Ende 362 der Sekundärkammer 360 hindurch
aufweisen, die mit dem Einlass des Verwirblers 320 in Verbindung
stehen, wobei der Auslass aus der äußeren Brennstoffleitung 301 mit
einem Querstrom von verdichteter Luft 340 aus einem Lufteintrittspfad
in die Verdichterleitschaufeln 325 verwirbelt wird. Die Größe,
der Injektionswinkel 329 und die Lage der Injektionsöffnungen
werden optimiert, um eine der ursprünglichen Brennstoffprimärdüse
vergleichbare Effizienz beizubehalten und die Unterschiede lokal
zu begrenzen. Die Voröffnungen 355 können
sich durch die Kammertrennwand 352 hindurch erstrecken,
die den Brennstoffdruck in der Sekundärkammer 360 für die
mehreren Brennstofföffnungen 365 auf näherungsweise
einen vorbestimmten Druck verringert, wodurch die Luftzufuhreinlassöffnungen
und die Injektionsöffnungen im Wesentlichen den gleichen Druckabfall
aufweisen, wodurch Brennstoff/Luft-Konzentrationsschwingungen in
der Mischkammer 330 im Wesentlichen minimiert oder reduziert
werden. Auf diese Weise bildet die äußere Brennstoffleitung 302 die
Funktion der DLN-1-Primärdüse beim Abschwächen
der Brennstoff/Luft-Konzentrationsschwingungen in dem Vormischer
nach, wodurch eine Erhaltung der verbrennungsdynamischen Leistungsfähigkeit
ermöglicht wird.
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3B zeigt
eine Darstellung der Brennstoff- und Luftpfade durch die Primärdüse.
Beim Betrieb mit Erdgas wird der äußeren Brennstoffleitung das
Erdgas 380 zugeführt, während der inneren Brennstoffleitung
Spülluft 390 zugeführt wird. Beim Betrieb
mit Synthesegas wird sowohl der äußeren Brennstoffleitung
als auch der inneren Brennstoffleitung Synthesegas 385 zugeführt.
Der gemischte Abfluss 395 von Brennstoff und Gas strömt
und mischt sich stromabwärts in der Mischkammer 330.
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4 zeigt
eine Ansicht der stromabwärtigen Seite einer Ausführungsform
der Primärdüse 300. Innerhalb des Hauptkörpers 310 weist
die konische Nase 375 der inneren Brennstoffleitung eine zentrale
Injektionsöffnung 377 und Randinjektionsöffnungen 378 auf.
Der Verwirbler 320 weist eine Anzahl von Verwirblerleitschaufeln 325 auf,
wobei die Injektionsöffnungen 365 von der äußeren
Brennstoffleitung den Gasbrennstoff der äußeren
Brennstoffleitung in den Luftstrom zwischen den Verwirblerleitschaufeln 325 einleiten.
Bei Erdgasbetrieb wird das Erdgas nur durch die Injektionsöffnungen 365 geleitet,
während durch die zentrale Injektionsöffnung 377 und
die Randinjektionsöffnungen 378 eine Luftspülung
vorgenommen wird. Bei Synthesegasbetrieb wird das Synthesegas sowohl
durch die Injektionsöffnungen 365 der äußeren
Brennstoffleitung als auch durch die zentrale Injektionsöffnung 377 und
die Randinjektionsöffnungen 378 der inneren Brennstoffleitung
zugeführt.
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Für
die Optimierung der Konstruktion zur Begrenzung der lokalen Beeinträchtigung
und zur Aufrechterhaltung der unveränderten Gesamtleistungsfähigkeit
wurde ein Simulationsprogramm zur Fluiddynamikberechnung (CFD für
Computational Fluid Dynamics) verwendet. Die neue Ausführung
weist eine äußere Brennstoffleitung mit einer
Primärbrennstoffkammer, acht Voröffnungen, eine
Sekundärbrennstoffkammer und 16 Brennstoffinjektionsöffnungen
auf. Der äußere Brennstoff wird zu dem Verwirblerluftkanal
hin eingeleitet und mischt sich mit der quer strömenden
Luft. Die innere Brennstoffleitung enthält eine Primärkammer
und neun Injektionsöffnungen. Die Größe,
die Injektionswinkel und die Öffnungspositionen der Brennstofföffnungen
sind unter Verwendung der CFD optimiert worden, um die Beeinträchtigungen
der Gesameffizienz zu minimieren.
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Eine
Kombination der Konstruktionsparameter einschließlich des
Brennstoffdruckverhältnisses, der Brennstoff öffnungsgröße,
des Verwirblerwinkels des Injektors, des Radialwinkels des Injektors
und der Position des Injektors sind zur Optimierung der Konstruktion
bezogen auf den Synthesegasbetrieb gewählt worden. Die
Ergebnisse zeigen, dass es bei sorgfältiger Auswahl der
Parameterkombination möglich ist, die Auswirkungen von
Brennstoffeffekten innerhalb der ersten Hälfte der Düse
einzugrenzen. Stromabwärts und nahe bei dem Düsenauslass
gleichen sich die Strömungs- und Mischungsmuster bei Synthesegasbrennstoff
allmählich denjenigen des Erdgases an.
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Die
CFD ist zum Optimieren der Brennstofföffnungsgröße,
der Injektionswinkel und der Öffnungspositionen der inneren
Brennstoffleitung verwendet worden, um die Gesamteffizienz der Brennkammer
hoch zu halten. Die neu gestaltete Düse ist sowohl für
Erdgas als auch für gemischtes H2/CO-Synthesegas getestet
worden. Die Ergebnisse zeigen, dass die neue Düse sowohl
mit Erdgas als auch mit H2/CO-gemischtem Synthesegas ebenso gut
funktioniert wie die Primärdüse für einen
einzigen Brennstoff, die mit Erdgas betrieben wird.
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Während
des Erdgasbetriebs muss die innere Brennstoffleitung luftgespült
sein, um die stromabwärtige Brennkammerflamme am Zurückschlagen
in die innere Brennstoffleitung und am Hervorrufen von Schäden
zu hindern. So ist es beim Erdgasbetrieb eine wesentliche Frage
der Effizienz, ob der Spülluftstrom der inneren Brennstoffleitung
die Betreibbarkeit der Düse beeinträchtigt. Um
die Betreibbarkeit mit Erdgas zu bewerten, wurden zwei Betriebsfälle der
Düse simuliert. Bei beiden Betriebsfällen wurde Erdgas
durch die äußere Brennstoffleitung geleitet, aber
nur in einem Fall wurde die innere Leitung mit Luft gespült.
Die Simulationsergebnisse zeigen klar, dass die Luftspülung
durch die innere Brennstoffleitung die Strömung und Mischung
nur in der Nähe des Ortes der Düsenin jektion verändert.
Stromabwärts von der Düse ähneln die
Strömungs- und Mischungsmuster einander vollständig.
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Die 5A und 5B stellen
einen Vergleich einer Ausführungsform der Zweibrennstoffprimärdüse
von Strömung und Mischung in der Mischkammer zwischen Erdgasbetrieb
mit und ohne Luftspülung dar. 5A stellt
eine querschnittsgemittelte Brennstoff/Luft-Unvermischtheit 510 entlang
der Düsenachse für den Erdgasbetrieb mit einer
Luftspülung an der inneren Brennstoffleitung sowie die
querschnittsgemittelte Brennstoff/Luft-Unvermischtheit 520 entlang
der Düsenachse für den Erdgasbetrieb ohne Luftspülung
an der inneren Brennstoffleitung entlang der Düsenachse
dar. 5B stellt die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit 530 entlang
der Düsenachse für den Erdgasbetrieb mit einer
Luftspülung an der inneren Brennstoffleitung und die Ungleichmäßigkeit 540 entlang
der Düsenachse für den Erdgasbetrieb ohne Luftspülung
dar. Diese Simulationsergebnisse zeigen deutlich, dass die Luftspülung durch
die innere Leitung die Strömung und Mischung nur nahe bei
dem Ort der Düseninjektion verändert, aber dass
die Unvermischtheit und die Ungleichmäßigkeit
der Geschwindigkeit allgemein stromabwärts in der Mischkammer
konvergieren. Die Untersuchung ergibt ebenfalls eine vergleichbare
Axialgeschwindigkeit, ein vergleichbares Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis
und einen vergleichbaren Strömungsvektor stromabwärts
von der Düseninjektion. Demnach wird die neu gestaltete Zweibrennstoffprimärdüse
ihre Betreibbarkeit mit Erdgas verglichen mit ihrer Originalausführung
nicht verändern. Experimentelle Daten haben die Computersimulation
bestätigt, wonach sich die Betreibbarkeit mit Erdgas durch
die Neugestaltung der Düse für zwei Brennstoffe
nicht geändert hat.
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Bei
Synthesegasbetrieb wird der hohe Volumendurchsatz des Synthesegases
verglichen mit Erdgas unausweich lich die ursprünglichen
Strömungs- und Mischungsmuster verändern. Wiederum ist
die CFD als Werkzeug zur Optimierung der Konstruktion der Zweibrennstoffprimärdüse
verwendet worden, um eine minimale Beeinträchtigung der
Gesamteffizienz zu erreichen. Eine Kombination der Konstruktionsparameter,
die das Brennstoffdruckverhältnis, die Brennstofföffnungsgröße,
den Verwirblerwinkel des Injektors, den Radialwinkel des Injektors und
die Position des Injektors enthalten, ist zur Optimierung der Konstruktion
verwendet worden. Die 6A und 6B stellen
für eine Ausführungsform der Zweibrennstoffprimärdüse
einen Vergleich der Brennstoff/Luft-Unvermischtheit und der Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit
in der Mischkammer zwischen Erdgasbetrieb und Synthesegasbetrieb
dar. 6A stellt die querschnittsgemittelte Brennstoff/Luft-Unvermischtheit 610 entlang
der Düsenachse für den Erdgasbetrieb und die querschnittsgemittelte
Brennstoff/Luft-Unvermischtheit 620 entlang der Düsenachse
für den Synthesegasbetrieb dar. 6B stellt
die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit 630 entlang
der Düsenachse für den Erdgasbetrieb und die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit 640 entlang
der Düsenachse für den Synthesegasbetrieb dar.
Die Untersuchung ergab ebenfalls, dass es möglich ist,
die Unterschiede der Axialgeschwindigkeit, des Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnisses
und des Strömungsspektors auf die erste Hälfte
der stromabwärtigen Mischkammer zu begrenzen. Die Simulationsergebnisse
zeigen deutlich, dass durch eine sorgfältige Auswahl der
Parameterkombination die Werte der Unvermischtheit und der Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit
stromabwärts in der Mischkammer sowohl für den
Erdgas- als auch für den Synthesegasbetrieb allgemein konvergieren.
Demnach unterscheidet sich die Zweibrennstoffprimärdüse
nicht in der Betreibbarkeit mit Synthesegas verglichen mit der Betreibbarkeit
mit Erdgas in ihrer ursprünglichen Ausführung.
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Die
vorliegende Erfindung weitet die Brennstoffflexibilität
der DLN-1-Brennkammer auf gasförmige Brennstoffe mit einem
weiten Bereich von Wobbezahlen aus, wie z. B. von Erdgas bis Synthesegas (gemischter
Brennstoff). Zur Optimierung der Brennstofföffnungsgröße,
Injektionswinkel und Öffnungspositionen ist die CFD verwendet
worden, um die Gesamteffizienz der Brennkammer hoch zu halten. Mit Ausnahme
der Primärdüse ist an der ganzen Brennkammer keine Änderung
erforderlich. Jeder Primärdüse wird eine innere
Brennstoffleitung hinzugefügt, um den Bereich des Volumenstroms
des Brennstoffs zu erweitern. Die Düse ist sowohl für
Erdgas als auch für gemischtes Synthesegas getestet worden.
Die Testergebnisse zeigen, dass die neue Düse sowohl für
Erdgas als auch für gemischtes Synthesegas so gut wie die
Einbrennstoffdüse funktioniert.
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Die
Primärdüsen 300 einer Dry Low NOX (DLN)-Brennkammer sind dazu eingerichtet,
alternativ einen ersten gasförmigen Brennstoff oder einen zweiten
gasförmigen Brennstoff zu verbrennen, wobei die beiden
Gasbrennstoffe einen stark voneinander abweichenden Energiegehalt
aufweisen können. Der erste Gasbrennstoff kann Erdgas und
der zweite Gasbrennstoff Synthesegas sein. Eine äußere Brennstoffleitung 301 und
eine innere Brennstoffleitung 302 werden geschaffen, um
durch eine Veränderung der Brennstoffaufteilung zwischen
den beiden Brennstoffleitungen eine wirksame Kontrolle der Brennstoff/Luft-Mischprofile,
der Dynamik, der primären Vorzündung und der Emissionskontrolle
zu ermöglichen. Die innere Brennstoffleitung 302 kann
bei vielen Gasbrennstoffen in einem Diffusionsverbrennungsmodus
betrieben werden.
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Während
hierin verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben worden
sind, wird anhand der Beschreibung erkannt, dass hieran vielfältige
Kombinationen der Elemente, Abwandlungen oder Verbesserungen vorgenommen
werden können, die innerhalb des Bereiches der Erfindung
liegen.
-
- 100
- Gasturbinenanlage
- 102
- Verdichter
- 104
- Brennkammer
- 108
- Turbine
- 110
- Rotor
- 205
- DLN-Brennkammer
- 210
- Sekundärdüse
- 220
- Primärdüse
- 233
- Druckluft
- 228
- Kühlkanal
- 235
- Strömungsbüchse
- 236
- Hohlraum
- 241
- Hauptwand
- 242
- Kappe/Zentralkörper
- 243
- Vordere
Wand
- 244
- Venturirohr
- 245
- Endabdeckung
- 240
- Flammrohr
- 300
- Zweibrennstoffprimärdüse
- 301
- Äußere
Brennstoffleitung
- 302
- Innere
Brennstoffleitung
- 305
- Zentralachse
- 310
- Hauptkörper
- 320
- Verwirbler
- 325
- Verwirblerleitschaufel
- 330
- Mischkammer
- 340
- Drucklufteintrittspfad
- 345
- Äußere
Kammer
- 350
- Primärkammer
- 352
- Kammertrennwand
- 355
- Voröffnung
- 360
- Sekundärkammer
- 362
- Vorderes
Ende
- 365
- Injektionsöffnung
- 370
- Zentralkammer
- 372
- Ringförmige
Wand
- 374
- Vordere
Wand
- 375
- Konische
Nase
- 376
- Injektionsöffnung
- 377
- Zentrale
Injektionsöffnung
- 378
- Randinjektionsöffnung
- 379
- Injektionswinkel
- 380
- Erdgas
- 385
- Synthesegas
- 390
- Spülluft
- 510
- Querschnittsgemittelte
Brennstoff/Luft-Unvermischtheit bei Erdgasbetrieb ohne Luftspülung
- 520
- Querschnittsgemittelte
Brennstoff/Luft-Unvermischtheit bei Erdgasbetrieb mit Luftspülung
- 530
- Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit
bei Erdgasbetrieb ohne Luftspülung
- 540
- Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit
bei Erdgasbetrieb mit Luftspülung
- 610
- Querschnittsgemittelte
Brennstoff/Luft-Unvermischtheit bei Erdgasbetrieb
- 620
- Querschnittsgemittelte
Brennstoff/Luft-Unvermischtheit bei Synthesegasbetrieb
- 630
- Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit
bei Erdgasbetrieb
- 640
- Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit
bei Synthesegasbetrieb
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5211004 [0004]
- - US 6837052 [0006]