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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zuführung von Brennstoff zu einer Gasturbine. Insbesondere enthält die vorliegende Erfindung eine geformte Düse, die in einer Brennkammer in einer Gasturbine eingesetzt werden kann.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gasturbinen sind in kommerziellen Betrieben zur Energieerzeugung weit verbreitet. Ein Betreiben dieser Gasturbine bei Höhentemperaturen steigert im Allgemeinen den thermodynamischen Wirkungsgrad der Gasturbine. Jedoch erzeugen höhere Betriebstemperaturen häufig örtlich begrenzte heiße Stellen in den Brennkammern in der Nähe der Düsenaustritte, falls Brennstoff und Luft vor der Verbrennung nicht gut miteinander vermischt werden. Örtliche heiße Stellen können die Gefahr eines Flammenrückschlags und Flammenhaltens erhöhen. Ein Flammenrückschlag und ein Flammenhalten treten bei jedem Brennstoff auf, wobei sie insbesondere mit hochreaktiven Brennstoffen verbunden sind, wie beispielsweise mit Kohlenwasserstoffbrennstoff, der eine viel höhere Brenngeschwindigkeit und einen viel weiteren Entflammbarkeitsbereich als Brennstoffe mit einer geringeren Reaktivität aufweist. Ein Flammenrückschlag und ein Flammenhalten sollten während eines Betriebs vermieden werden, da die Düsen bei derartigen Ereignissen verbrannt werden können. Außerdem steigert eine ungleichmäßige Brennstoff/Luft-Durchmischung mit den örtlichen heißen Stellen die Erzeugung von NOx, während eine ungleichmäßige Brennstoff/Luft-Durchmischung mit den örtlichen kalten Stellen die Emission von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen steigert, wobei all diese unerwünschte Abgasemissionen darstellen.
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Es existieren verschiedene Methoden, um bei gleichzeitiger Minimierung örtlicher heißer Stellen und unerwünschter Emissionen höhere Betriebstemperaturen zuzulassen. Zum Beispiel sind verschiedene Düsen entwickelt worden, um den Brennstoff mit dem Arbeitsfluid vor der Verbrennung gleichmäßiger zu vermischen. Ein gleichmäßigeres Brennstoffgemisch ermöglicht der Gasturbine, bei einer nahezu vollständig vorgemischten Verbrennung zu arbeiten, die weniger heiße Stellen hervorruft und geringere Emissionen erzeugt. Ein Flammenhalten und ein Flammenrückschlag treten auf, wenn die Brenngeschwindigkeit der Flamme höher ist als die lokale Strömungsgeschwindigkeit. Um ein Flammenhalten oder einen Flammenrückschlag zu verhindern, muss die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, was häufig einen zusätzlichen Druckabfall an den Düsen erfordert, wobei der Druckabfall an den Düsen den gesamten thermodynamischen Wirkungsgrad der Gasturbine beeinträchtigt.
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Folglich besteht der anhaltende Bedarf nach einer verbesserten Düse, die zunehmend höhere Verbrennungstemperaturen und hochreaktive Brennstoffe aushalten kann, während sie örtlich begrenzte heiße Stellen, ein Flammenhalten und den Druckabfall über der Düse auf ein Minimum reduziert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung offensichtlich werden, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in Praxis erfahren werden.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Düse, die eine axiale Mittellinie und einen Mittelkörper aufweist, der um die axiale Mittellinie herum angeordnet ist. Der Mittelkörper enthält eine Vorderkante und eine Hinterkante stromabwärts von der Vorderkante. Ein Mantel umgibt den Mittelkörper und definiert einen Umfang. Die Düse enthält ferner mehrere Leitschaufeln zwischen dem Mittelkörper und dem Mantel, wobei der Umfang des Mantels in der Nähe der Vorderkante des Mittelkörpers größer ist als der Umfang des Mantels in der Nähe der Hinterkante des Mittelkörpers.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine Düse einen Einlass, einen Auslass stromabwärts von dem Einlass und eine axiale Mittellinie zwischen dem Einlass und dem Auslass. Die Düse enthält ferner einen die axiale Mittellinie umgebenden Mantel, der sich von dem Einlass zu dem Auslass erstreckt und einen Umfang definiert. Der Umfang des Mantels in der Nähe des Einlasses ist größer als der Umfang des Mantels an einer ersten Stelle stromabwärts von dem Einlass, und der Umfang des Mantels an der ersten Stelle stromabwärts von dem Einlass ist kleiner als der Umfang des Mantels an einer zweiten Stelle stromabwärts von der ersten Stelle.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zum Zuführen eines Brennstoffs durch eine Düse hindurch. Das Verfahren enthält ein Führen eines ersten Luftstroms entlang eines ersten Wegs durch eine axiale Mittellinie der Düse, Führen eines zweiten Luftstroms entlang eines zweiten Wegs an mehreren Leitschaufeln vorbei und trennen des ersten Wegs von dem zweiten Weg. Das Verfahren enthält ferner ein Injizieren des Brennstoffs in wenigstens einen von dem ersten Weg und/oder dem zweiten Weg und Beschleunigen wenigstens eines von dem ersten Luftstrom und/oder dem zweiten Luftstrom.
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Fachleute auf dem Gebiet werden bei einer Durchsicht der Beschreibung die Merkmale und Aspekte derartiger Ausführungsformen und anderer besser verstehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine vollständige und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihrer besten Form zur Ausführung für einen Fachmann, ist in größeren Einzelheiten in der restlichen Beschreibung angegeben, die eine Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen enthält, in denen zeigen:
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1 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Gasturbine, die Düsen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung aufweist;
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2 eine vereinfachte ebene Darstellung der in 1 veranschaulichten Düsen, geschnitten entlang der Linie A-A;
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3 eine vereinfachte perspektivische Querschnittsansicht der in 1 veranschaulichten Düsen; und
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4 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Verwirblerschaufel innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun im Einzelnen auf die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von der ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung benutzt Bezeichnungen mit Nummern und Buchstaben, um sich auf Merkmale in den Zeichnungen zu beziehen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung zu verweisen.
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Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung und nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren Umfang oder Rahmen abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer einzelnen Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung all derartige Modifikationen und Veränderungen mit umfassen, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
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1 zeigt eine Gasturbine 10, die Leitapparate oder Düsen 12 in dem Umfang der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Gasturbine 10 enthält allgemein einen Verdichter 14 vorne, eine oder mehrere Brennkammern 16 ungefähr in der Mitte und eine Turbine 18 hinten. Der Verdichter 14 und die Turbine 18 können sich einen gemeinsamen Rotor 20 teilen.
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Der Verdichter 14 verleiht einem Arbeitsfluid (Luft) kinetische Energie, indem er dieses komprimiert, um es in einen energiereichen Zustand zu überführen. Das komprimierte Arbeitsfluid tritt aus dem Verdichter 14 aus und strömt durch ein Verdichterauslassplenum 22 zu der Brennkammer 16. Eine Auskleidung 24 umgibt jede Brennkammer 16 und definiert eine Verbrennungskammer 26. Die Düsen 12 vermischen Brennstoff mit dem komprimierten Arbeitsfluid in einer stromabwärts befindlichen Mischzone 28. Mögliche Brennstoffe umfassen Hochofengas, Koksofengas, Erdgas, verdampften Flüssigerdgas (LNG, Liquefied Natural Gas), Wasserstoff und Propan. Das Gemisch aus dem Brennstoff und dem Arbeitsfluid strömt zu der Verbrennungskammer 26, worin es gezündet wir, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisen. Die Verbrennungsgase strömen durch ein Übergangsstück 30 hindurch zu der Turbine 18, wo sie expandieren, um Arbeit zu verrichten.
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2 zeigt ein vereinfachte ebene Darstellung der in 1 veranschaulichten Düsen 12, aufgenommen entlang der Linie A-A, und 3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Querschnittsansicht der in 1 veranschaulichten Düsen 12. Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, bietet eine obere Kappe oder Abdeckung 32 strukturellen Halt für die Düsen 12. Die Düsen 12 sind in der oberen Abdeckung 32 in verschiedenen Geometrien angeordnet, wie beispielsweise als die sechs Düsen 12, die eine einzelne Düse 12 umgeben, wie in 2 veranschaulicht. Weitere Geometrien umfassen sieben Düsen, die eine einzelne Düse umgeben, oder eine beliebige sonstige geeignete Anordnung gemäß bestimmten Konstruktionsanforderungen. Jede Düse 12 enthält einen Einlass 34 und einen Auslass 36 stromabwärts (d. h. in der Richtung der Luftströmung) des Einlasses 34. Jede Düse 12 kann ferner einen Mittelkörper 38, mehrere Verwirblerschaufeln 40 und/oder einen Mantel 42 enthalten.
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Der Mittelkörper 38 weist eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt auf und ist rings um eine axiale Mittellinie 44 der Düse 12 angeordnet, obwohl die spezielle Gestalt und Konzentrizität des Mittelkörpers 38 keine Anforderungen für jede Ausführungsform innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung darstellen. Der Mittelkörper 38 enthält eine Vorderkante 46 in der Nähe des Einlasses 34 der Düse 12 und eine Hinterkante 48 stromabwärts (d. h. in der Richtung des Luftstroms) von der Vorderkante 46. Die Vorderkante 46 kann gerundet sein, um jede Störung der auf jeder Seite des Mittelkörpers 38 vorbeiziehenden Luftströmung zu minimieren. Die Hinterkante 48 kann an einem Punkt enden, um jede Rezirkulation des Brennstoff- und Luft-Gemisches, das an dem Mittelkörper 38 vorbeiströmt, auf ein Minimum zu reduzieren. Die Kombination aus der Vorderkante 46 und der Hinterkante 48 kann folglich eine tragflügelprofilförmige Gestalt für den Mittelkörper 38 definieren.
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Die Verwirblerschaufeln 40 erstrecken sich zwischen dem Mittelkörper 38 und dem Mantel 42. Jede Düse 12 enthält im Allgemeinen drei bis zwölf Verwirblerschaufeln 40, obwohl der Umfang der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl von Verwirblernschaufeln 40, abhängig von den speziellen Konstruktionsanforderungen, enthält.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Verwirblerschaufel 40 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Wie bei dem Mittelkörper 38 enthält jede Verwirblerschaufel 40 eine Vorderkante 50 in der Nähe des Einlasses 34 der Düse 12 und eine Hinterkante 52 stromabwärts (d. h. in der Richtung des Luftstroms) von der Vorderkante 50. Die Vorderkante 50 kann gerundet sein und eine Ausrundung an der Stelle enthalten, wo die Vorderkante mit dem Mittelkörper 38 und mit dem Mantel 42 verbunden ist, um jede Störung des auf jeder Seite der Verwirblerschaufel 40 vorbeiströmenden Luftstroms zu minimieren. Die Hinterkante 52 kann an einem Punkt enden, um jede Rezirkulation des Brennstoff- und Luft-Gemisches, das an der Verwirblerschaufel 40 vorbeizieht, auf ein Minimum zu reduzieren. Die Kombination aus der Vorderkante 50 und der Hinterkante 52 kann folglich eine tragflügelprofilförmige Gestalt für die Verwirblerschaufeln 40 definieren.
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Wie in 4 veranschaulicht, können die Verwirblerschaufeln 40 ferner einen inneren Durchgang 54 oder eine innere Kavität enthalten, der beziehungsweise die eine Fluidverbindung für die Brennstoffströmung durch den Mantel 42, die Verwirblerschaufeln 40 und den Mittelkörper 38 hindurch schafft. Brennstoffkanäle 56 auf jeder Seite des Mittelköpers 38, jeder Seite des Verwirblerschaufeln 40 und/oder innerhalb des Mantels 42 können dazu verwendet werden, einen Brennstoff in den Luftstrom hinein zu injizieren. Der Durchmesser der Brennstoffkanäle 56 kann zwischen etwa 0,010 Zoll und 0,080 Zoll betragen, und die Brennstoffkanäle 56 können unter einem Winkel von ungefähr 25 Grad bis 90 Grad in Bezug auf die axiale Mittellinie 44 schräg verlaufen. Der Durchmesser und der Winkel der Brennstoffkanäle 56 stellen zusammen sicher, dass der Brennstoff ausreichend in den Luftstrom eindringt, und verhindern gemeinsam, dass der Brennstoff einfach entlang des Mittelkörpers 38, der Verwirblerschaufeln 40 und/oder des Mantels 42 strömt. Der Durchmesser und der Winkel der Brennstoffkanäle 56 stellen auch gemeinsam sicher, dass die Möglichkeit eines lokalen Flammenhaltens auf ein Minimum reduziert ist.
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Die Verwirblerschaufeln 40 können mit der axialen Mittellinie 44 ausgerichtet sein, um den in die stromabwärtige Mischzone 28 eintretenden Luftstrom zu stabilisieren. In modifizierten Ausführungsformen kann die Hinterkante 52 der Verwirblerschaufeln 40 unter soviel wie ungefähr 60 Grad in Bezug auf die axiale Mittellinie 44 abgewinkelt sein, um dem über den Verwirblerschaufeln 40 strömenden Luftstrom eine Drall- bzw. Wirbelbewegung zu verleihen. Die Wirbelbewegung, die durch die Drallschaufeln 40 erteilt wird, erzeugt eine Scherkraft zwischen dem wirbelnden Luftstrom, der die Drallschaufeln 40 verlässt, und dem nicht wirbelnden Luftstrom, der den Mittelkörper 38 verlässt. Diese Scherkrakft unterstützt eine verbesserte Vermischung zwischen dem Brennstoff und dem komprimierten Arbeitsfluid in der stromabwärtigen Mischzone 28, wodurch sie gegebenenfalls eine kürzere Düse 12 zulässt, die den Druckverlust, Material- und Herstellungskosten reduziert. Grenzabstände für das Flammenhalten und den Flammenrückschlag werden ebenfalls verbessert.
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Der Mantel 40 umgibt den Mittelkörper 38 und die axiale Mittellinie 44, erstreckt sich von dem Einlass 34 zu dem Auslass 36 und definiert einen Umfang. Wenn das komprimierte Arbeitsfluid in die Düse 12 eintritt, leitet der Mittelkörper 38 einen ersten Luftstrom entlang eines ersten Wegs durch den Innenraum des Mittelkörpers 38 und entlang der axialen Mittellinie 44. Der Mantel 40 und der Mittelkörper 38 leiten in Kombination miteinander einen zweiten Luftstrom entlang eines zweiten Wegs, der von dem ersten Weg gesondert ist, zwischen dem Mantel 40 und dem Mittelkörper 38 und an den Verwirblerschaufeln 40 vorbei. Der erste Luftstrom vereinigt sich mit dem zweiten Luftstrom stromabwärts von der Hinterkante 48 des Mittelkörpers 38 und dem injizierten Brennstoff, um eine Gemischströmung zu erzeugen. Die Gemischströmung schreitet zu der stromabwärtigen Mischzone 28 fort, wo der Brennstoff und der komprimierte Arbeitsfluid sich weiter miteinander vermischen, bevor sie aus dem Auslass 36 austreten und in die Verbrennungskammer 26 eintreten.
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Der Umfang des Mantels 42 verändert sich allmählich von dem Einlass 34 zu dem Auslass 36, indem er sich zunächst verringert und sich anschließend vergrößert, was dem Mantel 40 eine Kontur verleiht, die einem Venturi-Rohr ähnelt. In bestimmten Ausführungsformen können der Umfang an dem Einlass 34 und der Umfang an dem Auslass 36 bemessen sein, um ungefähr gleiche Querschnittsflächen an dem Einlass 34 und dem Auslass 36 zu schaffen, um den Druckabfall über der Düse 12 zu minimieren und um den Durchflussquerschnitt zu maximieren.
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Der Umfang des Mantels 42 beginnt in der Nähe des Einlasses 34 oder der Vorderkante 46 des Mittelkörpers 38 abzunehmen und verringert sich weiter, bis ein erster Punkt 58 stromabwärts des Einlasses 34 erreicht ist. Die genaue Lage des ersten Punktes 58 kann entsprechend den Konstruktionsanforderungen der speziellen Ausführungsformen leicht variieren, wobei sie jedoch im Wesentlichen in der Nähe oder geringfügig stromabwärts von der Hinterkante 48 des Mittelkörpers 38 liegt. Der Umfang nahe an dem Einlass 34 oder der Vorderkante 46 des Mittelkörpers 38 ist somit größer als der Umfang Nahe an der Hinterkante 48 des Mittelkörpers 38.
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Die Verringerung der Umfangsgröße zwischen dem Einlass 34 und dem ersten Punkt 58 deckt sich mit der sich verjüngerten Gestalt der Drallschaufeln 40 und des Mittelkörpers 38. Diese Verringerung der Umfangsgröße verringert die Querschnittsfläche für den ersten und/oder den zweiten Luftstrom, wodurch sie eine entsprechende Beschleunigung oder Steigerung der Geschwindigkeit des ersten und/oder zweiten Luftstroms bewirkt. Es ist davon auszugehen, dass die Verringerung der Umfangsgröße von dem Einlass 34 zu dem ersten Punkt 58 die Luftströmungsgeschwindigkeit in einigen Ausführungsformen auf das Zwei- bis Dreifache erhöhen kann, wodurch die Gefahr, dass in der Nähe der Brennstoffkanäle 56 und stromabwärts von den Brennstoffkanälen 56 bis zu dem ersten Punkt 58 ein Flammenhalten auftritt, reduziert wird.
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Der Umfang des Mantels 42 beginnt, sich stromabwärts von dem ersten Punkt 58 zu vergrößern, bis er einen zweiten Punkt 60 erreicht. Die genaue Lage des zweiten Punktes 60 kann an einem beliebigen Ort des Mantels 42 zwischen dem ersten Punkt 58 und dem Auslass 36 liegen, wobei die tatsächliche Lage von den Konstruktionsanforderungen der speziellen Ausführungsformen abhängig ist. Der Umfang an dem zweiten Punkt 60 ist somit größer als der Umfang an dem ersten Punkt 58.
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Die Vergrößerung der Umfangsgröße zwischen dem ersten Punkt 58 und dem zweiten Punkt 60 deckt sich im Wesentlichen mit der Lage der stromabwärtigen Mischzone 28. Diese Vergrößerung des Umfangs vergrößert die Querschnittsfläche für die Gemischströmung, wodurch sie eine entsprechende Verzögerung oder Abnahme der Geschwindigkeit der Gemischströmung bewirkt. Demgemäß wird der Strömungsdruckverlust wieder ausgeglichen.
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In der in 3 veranschaulichten Ausführungsform bleibt der Umfang des Mantels 42 von dem zweiten Punkt 60 bis zu dem Auslass 36 konstant. In Folge dessen definiert der Mantel 42 einen Zylinder 62 von dem zweiten Punkt 60 bis zu dem Auslass 34. Diese konstante Umfangsgröße stabilisiert die Geschwindigkeit und den Druck des Gemisches aus Brennstoff und komprimiertem Arbeitsfluid, wenn dieses aus der Düse 12 austritt und in die Verbrennungskammer 26 eintritt, um die Gefahr, dass innerhalb der Düse 12 ein Flammenrückschlag auftreten kann, zu reduzieren.
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Es sollte für Fachleute auf dem Gebiet verständlich sein, dass an den hierin erläuterten Ausführungsformen der Erfindung Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben, und ihren Äquivalenten abgewichen wird.
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Eine Düse 12 enthält einen Einlass 34, einen Auslass 36 und eine axiale Mittellinie 44. Ein Mantel 42, der die axiale Mittellinie 44 umgibt, erstreckt sich von dem Einlass 34 zu dem Auslass 36 und definiert einen Umfang. Die Umfangsgröße in der Nähe des Einlasses 34 ist größer als die Umfangsgröße an einer ersten Stelle stromabwärts von dem Einlass 34, und die Umfangsgröße an der ersten Stelle stromabwärts von dem Einlass 34 ist kleiner als die Umfangsgröße an einer zweiten Stelle stromabwärts von der ersten Stelle. Ein Verfahren zum Zuführen eines Brennstoffs durch eine Düse 12 hindurch leitet einen ersten Luftstrom entlang eines ersten Wegs und einen zweiten Luftstrom entlang eines von dem ersten Weg gesonderten zweiten Wegs. Das Verfahren enthält ferner ein Injizieren des Brennstoffs in wenigstens entweder den ersten Weg und/oder den zweiten Weg hinein und Beschleunigen wenigstens entweder des ersten Luftstroms und/oder des zweiten Luftstroms.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 12
- Düsen
- 14
- Verdichter
- 16
- Brennkammern
- 18
- Turbine
- 20
- Rotor
- 22
- Verdichterauslassplenum
- 24
- Auskleidung
- 26
- Verbrennungskammer
- 28
- Reaktionszone
- 30
- Übergansstück
- 32
- obere Abdeckung, Kappe
- 34
- Düseneinlass
- 36
- Düsenauslass
- 38
- Mittelkörper
- 40
- Verwirblerschaufeln, Drallschaufeln
- 42
- Mantel
- 44
- axiale Mittellinie
- 46
- Vorderkante des Mittelkörpers
- 48
- Hinterkante des Mittelkörpers
- 50
- Vorderkante der Verwirblerschaufel
- 52
- Hinterkante der Verwirblerschaufel
- 54
- innerer Durchgang der Verwirblerschaufel
- 56
- Brennstoffkanäle
- 58
- erster Punkt, erste Stelle
- 60
- zweiter Punkt, zweite Stelle
- 62
- Zylinder
