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Gebiet der Erfindung
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Das Gebiet der hierin offengelegten Erfindung betrifft allgemein den Aufbau und Betrieb einer Brennstoffdüse in einem Gasturbinenbrenner, die einen Flammenhaltungsschutz bereitstellt, und insbesondere eine derartige Brennstoffdüse, die einen zerstörungsfreien Schutz vor Flammenhaltung bereitstellt.
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Hintergrund der Erfindung
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Zur Hintergrundinformation, ein Gasturbinenbrenner ist im Wesentlichen eine Vorrichtung, die zum Vermischen großer Mengen von Brennstoff und Luft und zum Verbrennen des sich ergebenden Gemisches verwendet wird. Typischerweise verdichtet der Gasturbinenverdichter Einlassluft, welche man dann in der Richtung umkehrt oder rückwärts in den Brenner strömen lässt, wo sie zum Kühlen des Brenners und auch zum Zuführen von Luft zu dem Verbrennungsprozess verwendet wird. Der Zessionar dieser Erfindung verwendet mehrere Brennkammerbaugruppen in seinen Hochleistungsgasturbinen, um einen zuverlässigen und effizienten Turbinenbetrieb zu erzielen. Jede Brennkammerbaugruppe weist einen zylindrischen Brenner, ein Brennstoffeinspritzsystem und ein Übergangsteil auf, das den Strom der heißen Gase aus dem Brenner dem Einlass des Turbinenbereichs zuführt. Gasturbinen, für welche die vorliegende Brennstoffdüsenkonstruktion genutzt werden soll, können sechs, zehn, vierzehn oder achtzehn in einer ringförmigen Gruppierung um die Turbinenrotorachse angeordnete Brenner enthalten.
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In dem Bemühen, den Anteil von NOx in dem Abgas der Gasturbine zu reduzieren, wurden bereits Brennstoffdüsen entwickelt, die im Wesentlichen Luft und Brennstoff vor der Verbrennungsflamme vorvermischen, so dass die Temperatur an der Flamme bezüglich herkömmlicher Diffusionsflammen verringert ist. Ein normaler Betrieb dieser Vormischbrennstoffdüsen erfordert, dass eine Flammenausbildung in der Vormischkammer verhindert wird. Ferner sind die Vormischbrennstoffdüsen so ausgelegt, dass sie in der Lage sind, eine Flamme auszustoßen und zu löschen, die sich unbeabsichtigt in der Vormischkammer aufgrund momentaner Störungszustände beispielsweise aufgrund eines plötzlichen Übergangs in der Gasturbine oder einer momentanen Änderung in den Brennstoffzuführungsbedingungen ausbilden.
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Typischerweise ist die Vormischkammer nicht dafür ausgelegt, die in der Brennkammer anzutreffenden hohen Temperaturen auszuhalten. Es liegt jedoch ein Problem dahingehend vor, dass der Brenner unbeabsichtigt so betrieben werden kann, dass er einen ”Rückschlag” der Flamme aus der Brennkammer in die Vormischkammer bewirkt, wo die Flamme weiter brennen kann – ein Zustand, der als Flammenhaltung bezeichnet wird. Ein weiteres Problem, das zu Flammenhaltung führen kann, ist die Zuführung von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen höherer Ordnung zu Gasturbinen mit Vormischzonen, die dafür ausgelegt sind, normalerweise mit Erdgasbrennstoffen zu arbeiten. Das Vorliegen dieser Komponenten begünstigt Flammengeschwindigkeiten, die höher als die von Methan sind und erzeugt eine Umgebung, in welcher ein Rückschlag wahrscheinlicher und die Flammenhaltung schwieriger durch die normale Thermodynamik einer für einen Betrieb mit Methan ausgelegten Vormischzone zu löschen ist. In jedem Falle können Flammenrückschlag und Flammenhaltung zu einer ernsthaften Beschädigung an Brennerkomponenten durch den Brennvorgang führen, sowie den Heißgaspfad der Turbine beschädigen, wenn verbrannte Brennerbeläge abgelöst und durch den Turbinenabschnitt geführt werden.
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Die
U.S. Patentschrift Nr. 5,685,129 beschreibt eine Vormischdüse, die Schmelzbereiche in der Nähe des Auslassendes der Düse zur Bekämpfung von Rückschlag verwendet. Im Falle eines Verbrennungsrückschlags brennen diese Schmelzbereiche aufgrund der auftretenden höheren Temperaturen durch, wenn die Flamme an den radialen Brennstoffinjektoren der Düse anhaftet. Das Durchbrennen ermöglicht dem Brennstoff im Wesentlichen, die radialen Brennstoffinjektoren zu umgehen und dadurch das Flammenhalteereignis zu beenden. Jedes in dem Brenner aufgrund der aufbrechenden Schmelzbereiche freigesetzte geschmolzene Metall wird im Wesentlichen in der Brennkammer ohne weitere Beschädigung an dem Brenner oder Heißgaspfad verdampft. Gleichzeitig schaltet der Brenner von einem Vormisch-Brennmodus auf einen Diffusions-Brennmodus um, bis eine Reparatur ausgeführt werden kann. Obwohl die Turbine nun mit höheren NO
x-Emissionen arbeitet, arbeitet sie trotzdem noch mit minimalem Schaden an dem Brenner und ohne Schaden an der Turbine selbst zufriedenstellend.
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Aus der
DE 103 14 941 A1 ist daneben eine Brennstoffinjektionseinrichtung für Gasturbinenbrenner bekannt, bei der die Injektionsdüsenöffnung so gestaltet ist, dass sich der Injektionswinkel im Betrieb in Folge von Temperaturunterschieden zwischen dem Brennstoff in der Brennstoffleitung und der Schirmluft in den Schirmluftkanal abhängig von dem Brennstoffinjektionsmassenstrom verändert. Die vorstehenden geschilderten Probleme der Flammenhaltung sind dabei nicht angesprochen.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber eine verbesserte Brennstoffdüsenstruktur und -betriebsweise zum Flammenhaltungsschutz zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Brennstoffdüse gemäß der Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf, während ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Schutz einer Brennstoffdüse einer Gasturbine während Flammenhaltezuständen Gegenstand des Patentanspruchs 10 ist.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft einen zerstörungsfreien Schutz vor Flammenhaltung durch eine Düse, die nach Aktivierung so arbeitet, dass sie die Flammenhaltung löscht und dann automatisch in ihren ursprünglichen Zustand ohne einen eine Reparatur an der Düse oder Turbine erfordernden Schaden zurückkehrt. Zusätzliche Aspekte und Vorteile der Erfindung sind teilweise in der nachstehenden Beschreibung dargestellt oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein oder können durch Ausführung der Erfindung erfahren werden.
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In einer exemplarischen Ausführungsform wird eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine bereitgestellt, die einen Düsenkörper enthält, der einen Außenbereich und eine axiale Richtung definiert. Der Düsenkörper besitzt auch einen Spitzenabschnitt. Ein Innenrohr erstreckt sich axial in dem Düsenkörper und definiert einen Innenkanal. Ein Zwischenrohr erstreckt sich axial in dem Düsenkörper. Das Zwischenrohr ist konzentrisch und radial in Abstand von dem Innenrohr angeordnet und definiert einen Zwischenkanal dazwischen. Ein Außenrohr erstreckt sich axial in dem Düsenkörper. Das Außenrohr ist konzentrisch und radial in Abstand von dem Zwischenrohr angeordnet und definiert einen Außenkanal dazwischen. Ein Stopfen ist an dem Spitzenabschnitt des Düsenkörpers befestigt. Der Stopfen definiert einen mit dem Außenkanal verbundenen ersten Einlass.
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Das Außenrohr definiert auch einen zweiten mit dem Außenbereich verbundenen Einlass. Der zweite Einlass ist in der Nähe des Spitzenabschnittes des Düsenkörpers an einer Position unmittelbar an dem ersten Einlass so angeordnet, dass während normaler Betriebszustände der erste Einlass durch das Außenrohr verschlossen ist, während sich unter Flammenhaltezuständen das Außenrohr in Bezug auf den Stopfen so verschiebt, dass es den zweiten Einlass mit dem ersten Einlass verbindet und dadurch den Außenkanal mit dem Außenbereich des Düsenkörpers verbindet. Somit kann Brennstoff aus dem Außenkanal in einer zerstörungsfreien Weise in den Außenbereich der Düse während eines Flammenhaltezustandes ausgeblasen werden.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz einer Brennstoffdüse einer Gasturbine während Flammenhaltezuständen bereitgestellt. Die Brennstoffdüse enthält einen einen Außenbereich und einen Spitzenabschnitt definierenden Düsenkörper, ein Innenrohr, das sich axial in dem Düsenkörper erstreckt und einen Innenkanal definiert, ein Zwischenrohr, das sich axial in dem Düsenkörper erstreckt und einen Zwischenkanal in dem Innenrohr definiert, und ein Außenrohr, das sich axial in dem Düsenkörper erstreckt und einen Außenkanal in dem Zwischenrohr definiert. Das exemplarische Verfahren beinhaltet die Schritte der Lieferung von Brennstoff in den Außenkanal, der Lieferung von Schleierluft oder Spülluft in den Zwischenkanal, das axiale Verschieben des Außenrohres in Bezug auf das Zwischenrohr während eines Flammenhaltezustandes, um so wenigstens einen Teil des Brennstoffs in den Außenbereich des Düsenkörpers in der Nähe des Spitzenabschnittes auszublasen und den Flammenhaltezustand zu löschen.
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche verständlich. Die beigefügten Zeichnungen, welche mit eingebunden sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Eine vollständige und grundlegende Offenlegung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihrer besten Ausführungsform, die sich an den Fachmann auf diesem Gebiet richtet, wird in der Beschreibung dargestellt, welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt, in welchen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Brennstoffdüse für eine Gasturbine bereitstellt;
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2 eine Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Brennstoffdüse ist;
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3–6 Querschnittsansichten von exemplarischen Ausführungsformen der Spitzenabschnitte von Brennstoffdüsen sind, die gemäß dem Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
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Detaillierte Beschreibung
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Es wird nun im Detail auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, wovon eine oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel wird im Rahmen einer Erläuterung der Erfindung und nicht einer Einschränkung der Erfindung bereitgestellt. Tatsächlich wird es für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Varianten in der vorliegenden Erfindung ohne Abweichung von dem Schutzumfang oder Erfindungsgedanken der Erfindung ausgeführt werden können. Beispielsweise können als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale mit einer anderen Ausführungsform genutzt werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Varianten abdecken, soweit sie in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente fallen.
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten Brennstoffdüse 100 und 2 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffdüse 100. Die Düse 100 enthält einen Düsenkörper 105, der mit einem rückwärtigen Zuführungsabschnitt 110 verbunden ist. An ihrem Spitzenabschnitt enthält die Brennstoffdüse 100 auch einen vorderen Brennstoff/Luft-Zuführungsbereich an der Düsenspitze 115. Es ist auch ein 120 enthalten, der einen ringförmigen Kanal 125 zwischen dem Bundring 120 und dem Düsenkörper 105 definiert. In diesem ringförmigen Kanal befindet sich ein Luftdrallkörper 130 stromaufwärts von mehreren radialen Brennstoffinjektoren 135, wovon jeder mit mehreren Auslassöffnungen 145 zum Ausgeben von Brennstoff, wie z. B. von Vorgemischgas, in dem Kanal 125 in die Vormischkammer eines Brenners ausgebildet ist.
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Gemäß spezifischer Bezugnahme auf 2 enthält die Brennstoffdüse 100 ein Innenrohr 150, das sich axial in dem Düsenkörper 105 erstreckt und einen Innenkanal 155 definiert. Der Innenkanal 155 kann beispielsweise der Verbrennungszone Luft zuführen oder kann für die Aufnahme einer Flüssigbrennstoff-Zuführungspatrone konfiguriert sein. Ein Zwischenrohr 160 erstreckt sich ebenfalls axial in dem Düsenkörper 105. Das Zwischenrohr 160 ist um das Innenrohr 150 in einer konzentrischen Weise, aber mit einem größeren Durchmesser zum Erzeugen eines Zwischenkanals 165 angeordnet. Der Zwischenkanal 165 stellt beispielsweise den Zustrom von Diffusionsgas, Schleierluft oder Spülluft durch die Öffnung 166 sicher. Ebenso erstreckt sich ein Außenrohr 170 entlang des Düsenkörpers 105. Das Außenrohr 170 ist um das Zwischenrohr 160 in einer konzentrischen Weise, aber mit einem größeren Durchmesser zum Erzeugen eines Außenkanals 175 positioniert. Der Außenkanal 175 stellt den Transport von Brennstoff, wie z. B. von Vorgemischgas, sicher. Während eines normalen (Nicht-Flammenhalte)-Betriebs der Brennstoffdüse 100 wird Brennstoff unter Druck gesetzt, um aus dem Außenkanal 175 durch Austreten durch Austrittsöffnungen 145 in radialen Brennstoffinjektoren 135 ausströmen zu lassen.
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Des Weiteren enthält gemäß der in den 1 und 2 dargestellten Düse die Düse 100 einen an der Düsenspitze 115 angeordneten Stopfen 195. Der Stopfen 195 ist so dimensioniert, dass er mit dem Düsenkörper 105 in Eingriff steht und typischerweise damit an einer Schnittstelle 180 verschweißt ist. Der Stopfen 195 ist mit einer inneren, ringförmigen Schulter 185 (2) ausgebildet, die den vorderen Rand des Zwischenrohres 160 aufnimmt, und welches an diesen vorderen Rand geschweißt oder hartgelötet ist. An der oder in der Nähe der Schulter 185 ist auch der Punkt, wo das vordere oder stromabwärts liegende Ende des Zwischenkanals 165 geschlossen ist.
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Wie in dem
U.S. Patent 5,685,139 beschrieben, ist die Wanddicke des Stopfens
195 entlang der in Längsrichtung ausgerichteten zylindrischen Wand
190, welche den vorderen oder stromabwärts liegenden Teil des äußeren Kanals
175 bildet, an mehreren Schmelzbereichen
140 (
2), die in Umfangsrichtung um die Düsenspitze
115 herum in Abstand angeordnet sind, dünner ausgebildet. In dem Falle eines Verbrennungsrückschlages in die Vormischzone brennen eine oder mehrere durch die dünneren Wände
190 erzeugte Schmelzbereiche
140 als Folge der an den Schmelzbereichen
140 auftretenden höheren Temperaturen durch, wenn die Flamme an den radialen Brennstoffinjektoren
135 anhaftet. Das Durchbrennen ermöglicht, das der Brennstoff im Wesentlichen die radialen Brennstoffinjektoren
135 umgeht und direkt durch den ausgebrannten Wandbereich in die Verbrennungszone austritt. Obwohl ein Teil des Brennstoffs weiter aus den radialen Brennstoffinjektoren
135 strömen kann, reicht der Zustrom nicht aus, um die Flamme weiter zu halten, und bewirkt dadurch eine Beendigung der Flammenhaltung. Der die Düse
100 enthaltende Brenner schaltet von einem Vormisch-Brennmodus in einen Diffusions-Brennmodus um, bis Reparaturen an den Schmelzbereichen
140 ausgeführt werden können.
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3–6 repräsentieren exemplarische Ausführungsformen der Düsenspitzen 315, 415, 515 und 615, wie sie bei Düsen verwendet werden können, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Beispielsweise können diese Düsenspitzen auf der Brennstoffdüse 100 oder einer Brennstoffdüse mit alternativem Aufbau anstelle der Düsenspitze 115 verwendet werden. Die Düsenspitzen 315, 415, 515 und 615 werden im Rahmen eines Beispiels und nicht einer Einschränkung der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
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Gemäß 3 definiert der Stopfen 395 der Düsenspitze 315 einen ersten Einlass 341, der mit dem Brennstoff enthaltenden Außenkanal 375 verbunden ist. Der erste Einlass 341 wird beispielsweise durch mehrere Löcher 342 erzeugt, die in Umfangsrichtung um den Stopfen 395 herum angeordnet und mit einer in die radial äußere Oberfläche des Stopfens 395 eingearbeitete ringförmigen Nut 343 verbunden sind. Zusätzlich liegen die Löcher 342 in einem Winkel zu der Längsachse (z. B. der axialen Richtung) des Brennstoffdüsenkörpers 105. Das Außenrohr 370 definiert einen zweiten Einlass 344, der mit dem Außenbereich der Düsenspitze 315 verbunden ist. Gemäß Darstellung in 3 wird der zweite Einlass 344 beispielsweise durch mehrere Löcher oder Öffnungen erzeugt, die sich durch die Wand des Außenrohres 370 erstrecken und um den Umfang des Außenrohres 370 herum angeordnet sind. Der Stopfen 395 definiert einen dritten Einlass 366, welcher beispielsweise für den Zustrom von Diffusionsgas, Schleierluft oder Spülluft zu dem Außenbereich der Düsenspitze 315 sorgt. Der dritte Einlass 366 wird beispielsweise durch mehrere in Umfangsrichtung um den Stopfen 395 herum in Abstand angeordnete Löcher gebildet.
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Insbesondere ist der Stopfen 395 an dem Zwischenrohr 360 befestigt und kann an dem Innenrohr 350 befestigt sein. Jedoch ist der Stopfen 395 nicht an dem Außenrohr 370 befestigt, welches sich in Bezug auf den Stopfen 395 gemäß Darstellung durch den Pfeil A fei bewegen oder verschieben kann. Das Außenrohr 370 und das Zwischenrohr 360 sind in Bezug zueinander an ihren stromaufwärts liegenden oder vorderen Enden an einer Position verbunden, die sich stromaufwärts von oder in der Nähe der radialen Brennstoffinjektoren (1) befinden kann.
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Während eines Flammenhaltezustandes erhitzt die Hitze einer in der Vormischzone angrenzend an das Außenrohr 370 brennenden Flamme rasch das Außenrohr 370. Beispielsweise kann während normaler Betriebszustände das Außenrohr 370 eine Temperatur von etwa 425°C erreichen. Während Flammenhaltezuständen kann das Außenrohr 370 eine Temperatur von etwa 850°C erreichen, da die Flammentemperatur bis zu etwa 1650°C erreichen kann. Jedoch bleibt, unabhängig davon, ob die Düsenspitze 315 Normal- oder Flammenhaltezuständen ausgesetzt ist, die Temperatur des Zwischenrohres 360 relativ konstant und etwa bei derselben Temperatur wie der Brennstoff in dem Außenkanal 375 (z. B. bei etwa 200°C).
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Demzufolge macht das Außenrohr 370 während eines Flammenhaltezustandes eine Wärmeausdehnung entlang der axialen Richtung gemäß Darstellung durch den Pfeil A in 3 durch, während das Zwischenrohr 360 entweder keine Ausdehnung oder eine wesentlich geringere als die von dem Außenrohr 370 durchgemachte durchmacht. Da der Stopfen 395 an dem Zwischenrohr 360 befestigt ist, bewirkt dieses unterschiedliche Wärmewachstum eine Verschiebung des Außenrohres 370 in die Richtung des Pfeils A in Bezug auf das Zwischenrohr 360 und den Stopfen 395. Demzufolge kommt der zweite Einlass 344 in dem Außenrohr 370 mit dem ersten Einlass 341 im Stopfen 395 in Verbindung und verbindet dadurch den Außenkanal 375 mit dem Außenbereich des Düsenkörpers 105. Brennstoff im Außenkanal 375 wird nun in den Außenbereich der Brennstoffdüse 100 ausgeblasen, und dadurch der Zustrom von Brennstoff verringert, der normalerweise aus dem Außenkanal 375, durch die radialen Brennstoffinjektoren 135 und dann durch die Auslassöffnungen 145 (1) strömt.
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Die Dimensionierung der effektiven Strömungsquerschnittsfläche für die ersten und zweiten Anschlüsse 341 und 344 ist so, dass die Verringerung des aus den Auslassöffnungen 145 strömenden Brennstoffs die Flamme in der Vormischkammer angrenzend an den Düsenkörper 105 verhungern lässt und dadurch den Flammenhaltezustand löscht. Beispielsweise könnte die effektive Strömungsquerschnittsfläche, wenn die ersten und zweiten Anschlüsse 341 und 344 zueinander ausgerichtet sind, auf eine Größe ähnlich der Strömungsfläche aus den Ausgabeöffnungen 145 dimensioniert sein. In einem derartigen Falle wäre während des Flammenhaltezustandes die Menge des aus den Ausgabeöffnungen 145 strömenden Brennstoffs etwa die Hälfte der Menge, die während des Normalbetriebs strömt. Diese Verringerung dürfte ausreichen, um den Flammenhaltezustand zu löschen.
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Demzufolge beginnt sich nach dem Löschen des Flammenhaltezustandes das Außenrohr 370 abzukühlen und in seine ursprüngliche Größe und Position zurückzukehren. Insbesondere verschiebt sich das Außenrohr 370 bei seiner Abkühlung entlang der axialen Richtung in entgegengesetzter Richtung zu der von dem Pfeil A dargestellten. Demzufolge werden der erste Einlass 341 und der zweite Einlass 344 schließlich getrennt, sobald die Düsenspitze 315 in ihre normalen Betriebszustände zurückkehrt. Der Zustrom des Brennstoffs zu den Ausgabeöffnungen 145 wird dann wieder auf seinen ursprünglichen Betriebszustrom gebracht. Da der Flammenhaltezustand gelöscht wird, bevor ein Schaden auftritt, kann die Brennstoffdüse 100 nun den Betrieb fortsetzen, ohne eine Reparatur an der Düsenspitze 315 zu erfordern und kann, falls erforderlich, auf einen weiteren Flammenhaltezustand reagieren. Zusätzlich ist die Düse 100 mit der Düsenspitze 315 besser mit Erdgasbrennstoff nutzbar, der bestimmte Mengen an Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff höherer Ordnung enthält.
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Um das Wärmeansprechverhalten der Düsenspitze 315 auf Flammenhaltezustände zu steigern, kann die Wanddicke des Außenrohres 370 in Bezug auf die des Zwischenrohres 360 verringert werden. Eine Verringerung der Wanddicke ermöglicht eine schnellere Aufheizung des Außenrohres 370 und dadurch eine schnellere Verschiebung in der Richtung des Pfeils A bei einem Flammenhaltezustand. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Außenrohr 370 aus einem Material aufgebaut sein, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der größer als der Koeffizient des für den Aufbau des Zwischenrohres 360 verwendeten Materials ist.
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Wie vorstehend festgestellt, kann der zweite Einlass 344 aus mehreren Öffnungen oder Löchern aufgebaut sein, die um den Umfang des Außenrohres 370 herum angeordnet sind. 4 stellt eine alternative exemplarische Ausführungsform der Erfindung dar, die dazu genutzt werden kann, die Anzahl der zum Erzeugen des zweiten Einlasses 344 erforderlichen Löcher zu verringern und deren Durchmesser zu vergrößern. Insbesondere ist die Düsenspitze 415 in einer ähnlichen Weise wie die der Spitze 315 aufgebaut und arbeitet so. Jedoch ist das Außenrohr 470 mit einer sich in Umfangsrichtung um die radial innere Oberfläche des Außenrohres 470 erstreckenden ringförmigen Nut 446 versehen. Die ringförmige Nut 446 wirkt als ein Reservoir, das alle von den in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Löchern, die den zweiten Einlass 444 um den Umfang des Außenrohres 470 bilden, verbindet. Der zwischen ringförmigen Nuten 443 und 446 erzeugte ringförmige Spalt führt durch die Bewegung des äußeren Rohres 470 in Bezug auf den Stopfen 495 zu einem größeren gegenüber der Strömung geöffneten Spalt, als es bei der in 3 dargestellten Auslegung machbar ist. Somit ermöglicht die ringförmige Nut 446, dass mehr Brennstoff aus dem ersten Einlass 441 in den zweiten Einlass 444 ausgeblasen wird, während eine kleinere Anzahl von Löchern mit größerem Durchmesser um den Umfang des Außenrohres 470 vorliegt, als die, die bei der exemplarischen Ausführungsform von 3 erforderlich waren.
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5 stellt eine weitere exemplarische alternative Ausführungsform einer Düsenspitze 515 bereit. Wie bei den vorstehenden Ausführungsformen ist das Außenrohr 570 dafür konfiguriert, sich in Bezug auf den Stopfen 595 zu verschieben, welcher an dem Zwischenrohr 560 befestigt ist. Das Außenrohr 570 definiert einen vierten Einlass 577, der radial angrenzend an dem Stopfen 595 angeordnet ist. Der vierte Einlass 577 wird beispielsweise durch eine ringförmige Nut entlang der Innenoberfläche des Außenrohres 570 und mehrere axiale Löcher 579 erzeugt, die in Umfangsrichtung um das Ende des Außenrohres 570 in Abstand angeordnet sind. Das Außenrohr 570 definiert auch einen zweiten Einlass 544, der mit dem Außenbereich der Brennstoffdüse 100 durch eine Leitung 584 verbunden ist, welche wiederum mit der ringförmigen Nut des vierten Einlasses 577 verbunden ist.
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Der Stopfen 595 definiert auch einen mit dem Zwischenkanal 565 verbundenen dritten Einlass 566, welcher beispielsweise für den Zustrom von Schleierluft oder Spülluft sorgt. Jedoch ist im Gegensatz zu vorherigen Ausführungsformen der dritte Einlass 566 in einem Winkel in Bezug auf die axiale Richtung (d. h., die Längsachse) des Düsenkörpers 105 angeordnet. Zusätzlich verbindet der dritte Einlass 566 anstelle einer Verbindung zu dem Außenbereich der Brennstoffdüse 100 den Zwischenkanal 565 mit dem vierten Einlass 577, um einen Austritt des Luftstroms durch denselben zu ermöglichen. Der vierte Einlass 577 ist so positioniert und dimensioniert, dass unabhängig von der Bewegung des Außenrohres 570 in Bezug auf das Zwischenrohr 560, die Verbindung mit dem dritten Einlass 566 beibehalten bleibt, um den Luftstrom aus dem Zwischenkanal 565 unabhängig davon beizubehalten, ob die Brennstoffdüse 100 normal arbeitet oder einen Flammenhaltezustand erleidet.
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Der Stopfen 595 definiert auch einen mit dem Brennstoff enthaltenden Außenkanal 575 verbundenen ersten Einlass 541. Der erste Einlass 541 wird beispielsweise von mehreren axial ausgerichteten Leitungen gebildet, die mit einer ringförmigen Nut 543 verbunden sind, die in die radiale Außenoberfläche des Stopfens 595 eingearbeitet ist.
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Während eines Flammenhaltezustandes macht das Außenrohr 570 eine Wärmeausdehnung entlang der axialen Richtung gemäß Darstellung durch den Pfeil A durch, während das Zwischenrohr 560 entweder keine Ausdehnung oder eine wesentlich geringere als die von dem Außenrohr 570 durchgemachte durchmacht. Da der Stopfen 595 an dem Zwischenrohr 560 befestigt ist, bewirkt dieses unterschiedliche Wärmewachstum, dass sich das Außenrohr 570 in der Richtung des Pfeils A in Bezug auf das Zwischenrohr 560 und den Stopfen 595 verschiebt. Demzufolge verbindet sich der zweite Einlass 544 in dem Außenrohr 570 mit dem ersten Einlass 541 im Stopfen 595 und verbindet dadurch den Außenkanal 575 mit über die Leitung 584 und den vierten Einlass 577 dem Außenbereich des Düsenkörpers 105. Der Brennstoff in dem Außenkanal 575 wird nun in dem Außenbereich der Brennstoffdüse 100 ausgeblasen und verringert dadurch den Brennstoffstrom durch die Ausgabeöffnungen 145 (1). Jedoch vermischt sich der Brennstoff vor der Ausgabe an den Außenbereich mit Luft aus dem dritten Einlass 566, um zur Minimierung einer NOx-Bildung beizutragen, wenn der Kraftstoff anschließend verbrannt wird. Der Luftstrom durch den dritten Einlass 566 trägt auch zum Kühlen des Stopfens 595 bei.
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Sobald der Flammenhaltezustand gelöscht ist, beginnt das Außenrohr 570 sich abzukühlen und zu seiner ursprünglichen Größe und Position zurückzukehren, indem es sich entlang der axialen Richtung in einer entgegengesetzten Richtung zu der durch den Pfeil A dargestellten verschiebt. Demzufolge werden der erste Einlass 541 und zweite Einlass 544 schließlich getrennt, sobald die Düsenspitze 515 zu ihren normalen Betriebszuständen zurückkehrt. Der Kraftstoffzustrom zu den Ausgabeöffnungen 145 ist dann wieder auf seinem ursprünglichen Betriebszustrom eingestellt. Da der Flammenhaltezustand gelöscht wird, bevor ein Schaden auftritt, kann die Brennstoffdüse 100 nun den Betrieb fortsetzen, ohne eine Reparatur an der Düsenspitze 515 zu erfordern. Zusätzlich ermöglicht die Düse 100 wie bei den vorherigen Ausführungsformen der Düsenspitze 515, sich erwünschter zu verhalten, wenn Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe höherer Ordnung enthaltendes Erdgas verbrannt wird.
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Es dürfte sich verstehen, dass wegen des Schiebesitzes zwischen dem Außenrohr 570 und dem Stopfen 595 eine kleine Leckage von Brennstoff aus dem ersten Einlass zu dem zweiten Einlass 544 und/oder vierten Einlass 577 während normaler Betriebszustände erfolgen kann. Insbesondere kann, obwohl der erste Einlass 541 von diesen anderen Einlässen während des normalen Betriebs getrennt ist, etwas Brennstoff aus der beweglichen Schnittstelle zwischen dem Außenrohr 570 und dem Stopfen 595 lecken. Jedoch wird durch die Anordnung des dritten Einlasses 566, um Schleier- oder Spülluft in den vierten Einlass 577 gemäß Darstellung in 5 auszublasen, die Erzeugung von unerwünschtem NOx minimiert, da der austretende Brennstoff mit derartiger Luft vor der Verbrennung vermischt wird.
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6 veranschaulicht eine weitere exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Aufbau und einem Betrieb ähnlich dem, der für die Ausführungsform von 5 beschrieben wurde. Jedoch enthält die Düsenspitze 615 ein Paar von angeschrägten Kanten 682 und 683, die dafür konfiguriert sind, während eines Normalbetriebs aufeinanderzutreffen und während Flammenhaltezuständen getrennt zu sein. Insbesondere stellt der Stopfen 695 eine angeschrägte Kante 682 bereit, die dafür angepasst ist, mit einer komplementären angeschrägten Kante 683 zusammenzutreffen, die durch das Außenrohr 670 gebildet wird. Die Bewegung des Außenrohres 670 während eines Flammenhaltebetriebs trennt die Kanten 682 und 683, um somit Brennstoff aus dem Außenkanal 675 auszublasen und den Flammenhaltezustand wie vorstehend beschrieben zu löschen. Nach der Löschung kehren die Kanten 682 und 683 in die in 6 dargestellte geschlossene Position zurück. Demzufolge stellt die exemplarische Ausführungsform von 6 einen ”Teller”-Ventilsitz bereit, um eine aktive Schließkraft während normaler Betriebszustände zu erzeugen.
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Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsart offenzulegen, und um auch jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu nutzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
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Es werden der Aufbau und der Betrieb einer Brennstoffdüse für einen Gasturbinenbrenner offengelegt, bei der die Brennstoffdüse einen Schutz gegen Flammenhaltung bereitstellt, und insbesondere eine solche Düse, die einen zerstörungsfreien Schutz vor Flammenhaltung bereitstellt. Die Düse erzeugt eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Brennstoffkanäle 375 ausbildenden Rohren 370, 360, um somit ein zerstörungsfreies Ausblasen von Brennstoff während eines Flammenhaltezustandes zu ermöglichen. Nach Verlöschen des Flammenhaltezustandes kehrt die Düse zum normalen Betriebszustand zurück.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoff (Düse)
- 105
- Düsenkörper
- 110
- Zuführungsbereich
- 115
- Düse (Spitze)
- 120
- Bundring
- 125
- ringförmiger Kanal
- 130
- Luftdrallkörper
- 135
- radiale (Brennstoff)-Injektoren
- 140
- Schmelzbereiche
- 145
- Ausgabeöffnungen
- 150
- Innenrohr
- 155
- Innenkanal
- 160
- Zwischenrohr
- 165
- Zwischenkanal
- 166
- Öffnung
- 170
- Außenrohr
- 175
- Außenkanal
- 180
- Schnittstelle
- 185
- innere ringförmige Schulter
- 190
- zylindrische Wand
- 195
- Stopfen
- 315
- Düse (Spitze)
- 341
- erster Einlass
- 342
- axial versetzte Löcher
- 343
- ringförmige Nut
- 344
- zweiter Einlass
- 350
- Innenrohr
- 355
- Innenkanal
- 360
- Zwischenrohr
- 365
- Zwischenkanal
- 366
- dritter Einlass
- 370
- Außenrohr
- 375
- Außenkanal
- 395
- Stopfen
- 415
- Düse (Spitze)
- 441
- erster Einlass
- 443
- ringförmige Nut
- 444
- zweiter Einlass
- 450
- Innenrohr
- 555
- Innenkanal
- 460
- Zwischenrohr
- 465
- Zwischenkanal
- 470
- Außenrohr
- 475
- Außenkanal
- 495
- Stopfen
- 515
- Düse (Spitze)
- 541
- erster Einlass
- 543
- ringförmige Nut
- 544
- zweiter Einlass
- 550
- Innenrohr
- 555
- Innenkanal
- 560
- Zwischenrohr
- 565
- Zwischenkanal
- 566
- dritter Einlass
- 570
- Außenrohr
- 575
- Außenkanal
- 577
- vierter Einlass
- 579
- Löcher
- 584
- Leitung
- 595
- Stopfen
- 615
- Düse (Spitze)
- 641
- erster Einlass
- 643
- ringförmige Nut
- 644
- zweiter Einlass
- 650
- Innenrohr
- 555
- Innenkanal
- 660
- Zwischenrohr
- 665
- Zwischenkanal
- 666
- dritter Einlass
- 670
- Außenrohr
- 675
- Außenkanal
- 677
- vierter Einlass
- 679
- Löcher
- 682
- angeschrägte Kanten
- 683
- angeschrägte Kanten
- 684
- Leitung
- 695
- Stopfen
- A
- Pfeil
