DE102013109148A1

DE102013109148A1 - Systeme und Verfahren zum Unterdrücken von durch die Verbrennung angeregten Druckschwankungen mittels einer Vormischbrennkammeranordnung mit mehreren Vormischzeiten.

Info

Publication number: DE102013109148A1
Application number: DE102013109148.2A
Authority: DE
Inventors: Gregory Allen Boardman; Mark Allan Hadley; Sarah Lori Crothers; Ronald James Chila; Johnie Franklin McConnaughhay
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2014-03-06
Also published as: CN103672964A; US9212823B2; US20140060063A1; JP2014052178A; CH706976A2

Abstract

Eine Brennkammeranordnung mit einer Brennkammer ist mit einer äußeren Strömungshülse und einer Brennkammerwand versehen, die die Brennkammer umgibt. Mehrere Strömungskanäle sind an der Brennkammerwand ausgebildet, und mehrere Düsen sind an vorbestimmten Orten an den Strömungskanälen angeordnet. Die Orte der Düsen sind ausgewählt, um verschiedene Mischzeiten für Brennstoff vorzusehen, der durch die Düsen eingespeist wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die hier beschriebene Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenbrennkammern und insbesondere eine Vormischbrennkammeranordnung mit mehreren Vormischzeiten.
HINTERGRUND
Gasturbinen nutzen einen Verdichter, um Luft zu komprimieren, die mit einem Brennstoff vermischt und zu einer Brennkammer geleitet wird. In der Brennkammeranordnung wird das Gemisch in einer Brennkammer gezündet, aus der heiße Verbrennungsgase hervorgebracht werden. Die Verbrennungsgase werden einer Turbine zugeführt, die den Verbrennungsgasen Energie entzieht, um den Verdichter mit Leistung zu versorgen, sowie Nutzarbeit hervorzubringen, um eine Last anzutreiben, z. B. einen elektrischen Generator.
Herkömmliche Brennkammeranordnungen enthalten gewöhnlich ein Brennkammeranordnungsgehäuse, eine Brennkammerwand, einen Dom, einen Brennstoffinjektor und eine Zündvorrichtung. Das Brennkammergehäuse dient als ein Druckkessel, der den hohen Druck im Innern der Brennkammer enthält. Die Brennkammerwand kapselt eine Verbrennungszone ein und kann genutzt werden, um vielfältige Luftströme in die Verbrennungszone zu bewegen. Der Dom ist die Komponente, durch die die primäre Luft strömt, während sie in die Verbrennungszone eintritt. In Verbindung mit dem Dom kann eine Verdrallervorrichtung genutzt werden. Der Dom und die Verdrallervorrichtung erfüllen die Aufgabe in dem Strom eine Turbulenz hervorzurufen, um die Luft und den Brennstoff zu mischen. Die Verdrallervorrichtung kann eine Turbulenz erzeugen, indem ein Teil der Verbrennungsprodukte dazu veranlasst wird, zurückzuströmen.
Brennkammeranordnungen sind dazu eingerichtet, zunächst die Luft oder ein Oxidationsfluid mit Brennstoff zu vermischen und zu entzünden, und anschließend weitere Luft beizumischen, um den Verbrennungsprozess zu vervollständigen. Das Oxidationsfluid kann ein Oxidationsmittel wie Luft oder ein Gemisch eines Oxidationsmittels und eines Verdünnungsmittels, beispielsweise Wasser, Dampf, Stickstoff oder eine sonstige inerte Substanz sein, die genutzt wird, um das Oxidationsmittel zu verdünnen. Konstruktionskriterien für Brennkammeranordnungen beinhalten eine Reihe von Faktoren, z. B. Kapselung der Flamme, gleichmäßige Auslasstemperaturprofile, Betriebsbereiche und Emissionen in die Umwelt. Diese Faktoren beeinträchtigen die Zuverlässigkeit einer Turbine und die Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerks.
Während des Vorgang einer Gasturbinenverbrennung können Instabilitäten auftreten, wenn eine oder mehrere Schallschwingungsmoden des Systems durch den Verbrennungsprozess angeregt werden. Die angeregten Schallschwingungsmoden können zu periodischen Schwingungen von Systemeigenschaften (wie Geschwindigkeit, Temperatur und Druck) und von Vorgängen (z. B. hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit oder der Wärmeübertragungsrate) führen.
Verbrennungsinstabilitäten sind möglicherweise Ergebnis eines Ansprechens der Flamme auf akustische Störungen. Die Störungen beeinträchtigen die Flamme, wodurch es zu Wärmefreigabeschwankungen kommt, die ihrerseits Schallwellen erzeugen, die an Oberflächen der Brennkammeranordnung reflektiert werden und wieder auf die Flamme treffen, was zusätzliche Wärmefreigabeschwankungen hervorruft. In einigen Situationen kann eine selbsterregende Rückkopplungsschleife entstehen. Diese Rückkopplungsschleife führt zu Schwingungen mit großen Amplituden.
Eine weitere Quelle für Verbrennungsinstabilitäten können Schwingungen in dem Brennstoff/Luft-Verhältnis in Vormischbrennkammeranordnungen sein. Druckschwankungen in der Vormischeinrichtung können einen oszillierenden Druckabfall über die Brennstoffinjektoren hinweg hervorrufen, mit der Folge einer oszillatorischen Zufuhr von Brennstoff zu der Brennkammer. Diese erzeugen in einer Rückkopplungsschleife zusätzliche Strömungs- und Druckstörungen. Dieser Mechanismus kann selbsterregend sein, wenn sich das Produkt der Schwingungsfrequenz f und der Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, in dem eine Brennstoffpaket in die Vormischeinrichtung injiziert und an der Flamme verbrannt wird (Vormischzeit oder Tau), innerhalb eines Wertebereichs befindet. Tau ist eine Funktion der Luftgeschwindigkeit in der Vormischeinrichtung und der Länge der Vormischeinrichtung.
Durch die Verbrennung angeregte Schwingungen beeinträchtigen die Lebensdauer von Gasturbinenkomponenten, was zu häufigeren Ausfallzeiten und einer Verringerung der Leistungsabgabe der Turbine führen kann. Darüber hinaus können durch die Verbrennung angeregte Schwingungen auch eine Steigerung von Schadstoffemissionen (z. B. NO_x und CO) hervorrufen. Herkömmliche Brennkammeranordnungen zeigen in ihrem Betriebsbereich durch die Verbrennung angeregte schädliche Schwingungen und sprechen empfindlich auf das Brennstoffinjektionsdruckverhältnis (den modifizierten Wobbe-Wert), die Belastung der Brennkammeranordnung und die Einlassbedingungen an.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem exemplarischen, nicht als beschränkend zu bewertenden Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung eine Brennkammeranordnung, zu der gehören: eine Brennkammer mit einer Längsachse; eine äußere Strömungshülse; und eine Brennkammerwand, die die Brennkammer umgibt und mit der äußeren Strömungshülse verbunden ist. Die Brennkammerwand ist mit mehreren Strömungskanälen ausgebildet. Die Brennkammeranordnung enthält außerdem mehrere Düsen. Bei zumindest einigen der mehreren Strömungskanäle ist mindestens eine der mehreren Düsen an vorbestimmten Orten angeordnet. Die vorbestimmten Orte sind ausgewählt, um zwischen einigen der mehreren Düsen und der Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen. Dementsprechend beinhaltet ein Aspekt der Erfindung eine Brennkammeranordnung, zu der gehören:
eine Brennkammer;
eine äußere Strömungshülse;
eine Brennkammerwand, die die Brennkammer umgibt und mit der äußeren Strömungshülse verbunden ist;
mehrere Strömungskanäle, die der Brennkammerwand zugeordnet sind;
mehrere Düsen;
wobei bei zumindest einigen der mehreren Strömungskanäle mindestens eine der mehreren Düsen an vorbestimmten Orten angeordnet ist/sind, wobei die vorbestimmten Orte ausgewählt sind, um zwischen einigen der mehreren Düsen und der Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen.
Die Brennkammerwand kann eine Gruppe von vorspringenden spiralförmigen Rippen aufweisen.
Die mehreren Strömungskanäle der Brennkammeranordnung können an der Brennkammerwand ausgebildet sein.
Die mehreren Düsen können wenigstens drei Düsen beinhalten.
Die mehreren Strömungskanäle können dazu eingerichtet sein, einen Fluidstrom zu leiten, und die mehreren Düsen können dafür konstruiert sein, Brennstoff zu injizieren.
Die mehreren Strömungskanäle können in mindestens zwei Abschnitte unterteilt sein, wobei jeder der mindestens zwei Abschnitte unabhängig Brennstoff von mindestens einer der mehreren Düsen aufnimmt.
Die Brennkammeranordnung kann eine Längsachse aufweisen und kann zudem eine Domanordnung mit einer Düse aufweisen, die ein Gemisch von Brennstoff und Oxidationsfluid entlang der Längsachse der Brennkammer injiziert.
Die Brennkammeranordnung kann außerdem wenigstens eine Dämpfungseinrichtung enthalten, die benachbart zu der äußeren Strömungshülse angeordnet ist.
In noch einem Ausführungsbeispiel ist eine Gasturbine mit einer Brennkammer geschaffen. Die Brennkammeranordnung enthält eine Brennkammer mit einer Längsachse; eine äußere Strömungshülse; und eine Brennkammerwand, die die Brennkammer umgibt und mit der äußeren Strömungshülse verbunden ist. Die Brennkammerwand und die äußere Strömungshülse bilden mehrere Strömungskanäle. Mehrere Düsen sind bereitgestellt. Bei zumindest einigen der mehreren Strömungskanäle ist mindestens eine der mehreren Düsen angeordnet, um zwischen einigen der mehreren Düsen und der Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen. Gemäß diesem Aspekt kann die Gasturbine enthalten:
eine Brennkammeranordnung, zu der gehören:
eine Brennkammer;
eine äußere Strömungshülse;
eine Brennkammerwand, die die Brennkammer umgibt und mit der äußeren Strömungshülse, der Brennkammerwand und der äußeren Strömungshülse verbunden ist, so dass mehrere Strömungskanäle gebildet werden;
mehrere Düsen;
wobei bei mindestens zwei der mehreren Strömungskanäle mindestens eine der mehreren Düsen darin angeordnet ist/sind, um zwischen einigen der mehreren Düsen und der Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen.
Die mehreren Strömungskanäle der Gasturbine können durch eine Gruppe von vorspringenden spiralförmigen Rippen an der Brennkammerwand gebildet sein.
Die Brennkammer der Gasturbine kann eine Längsachse aufweisen und außerdem eine Domanordnung mit einer zentralen Düse enthalten, die entlang der Längsachse der Brennkammer ein Gemisch von Brennstoff und Oxidationsfluid injiziert.
Die zentrale Düse der Gasturbine kann mehrere Injektionskanäle mit unterschiedlichen Längen aufweisen.
Die Gasturbine kann ferner wenigstens eine Flüssigbrennstoffdüse enthalten, die benachbart zu der zentralen Düse angeordnet ist.
Die mehreren Strömungskanäle der Gasturbine können in mindestens zwei Abschnitte unterteilt sein, wobei jeder der mindestens zwei Abschnitte unabhängig einen Brennstoff aufnimmt.
In noch einem Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zur Dämpfung von Brennkammerdynamik geschaffen. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Bereitstellen von Oxidationsfluid für mehrere Kanäle, die an einer Brennkammerwand ausgebildet sind. Das Verfahren beinhaltet außerdem den Schritt des Injizierens eines Brennstoffs in zumindest einige der mehreren Kanäle, um mehrere Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid zu erzeugen, wobei der Brennstoff an vorbestimmten Orten injiziert wird, um zwischen den vorbestimmten Orten und einer Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen. Weiter beinhaltet das Verfahren den Schritt des Verbrennens jedes der mehreren Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid in der Brennkammer. Dementsprechend kann ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Dämpfung von Brennkammerdynamik beinhalten, mit den Schritten:
Bereitstellen von Oxidationsfluid für mehrere Kanäle, die an einer Brennkammerwand ausgebildet sind;
Injizieren eines Brennstoffs in mindestens zwei der mehreren Kanäle, um mehrere Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid zu erzeugen, wobei der Brennstoff an vorbestimmten Orten injiziert wird, um zwischen den vorbestimmten Orten und einer Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen; und
Verbrennen jedes der mehreren Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid in der Brennkammer.
Das Injizieren des Brennstoffs in zumindest einige der mehreren Kanäle kann ein Injizieren des Brennstoffs in einen Oxidationsfluidstrom beinhalten, der jeden der mehreren Kanäle durchströmt.
Die mehreren Kanäle können durch spiralförmige Vorsprünge an der Brennkammerwand ausgebildet sein.
Das Verfahren kann außerdem ein Injizieren eines Gemisches von Oxidationsfluid und Brennstoff entlang einer Längsachse der Brennkammer durch eine zentrale Düse beinhalten.
Jedes beliebige der oben erwähnten Verfahren kann außerdem ein Dämpfen hochfrequenter Schwingungen mittels einer Dämpfungseinrichtung beinhalten.
In dem Verfahren können die vorbestimmten Orte wenigstens drei Orte beinhalten.
In noch einem Ausführungsbeispiel ist eine Brennkammerwand für eine Brennkammeranordnung, zu der eine Anordnung gehört, die mehrere Strömungskanäle aufweist, in der Brennkammeranordnung zwischen einer Brennkammer und einer Hülse angeordnet. Dementsprechend kann zu einer Brennkammerwand für eine Brennkammeranordnung gehören:
eine Anordnung, die mehrere Strömungskanäle aufweist,
die in der Brennkammeranordnung zwischen einer Brennkammer und einer Hülse angeordnet sind.
In der Brennkammerwand, beinhalten die mehreren Strömungskanäle eine Gruppe von vorspringenden spiralförmigen Rippen.
Die Brennkammerwand kann ferner mehrere Düsen enthalten, wobei mindestens zwei der mehreren Düsen an vorbestimmten Orten an mindestens zwei der mehreren Strömungskanäle angeordnet sind. Die vorbestimmten Orte können zwischen mindestens zwei der mehreren Düsen und einer Brennkammer verschiedene Strömungspfadlängen bereitstellen.
Die Strömungskanäle können an der Brennkammerwand einstückig ausgebildet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierteren Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Figuren offenkundig, die Grundzüge gewisser Aspekte der Erfindung beispielhaft veranschaulichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen Querschnitt entlang der Längsachse eines Ausführungsbeispiels einer Multi-Tau-Brennkammeranordnung.
2 veranschaulicht eine mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand, die in einer Multi-Tau-Brennkammeranordnung genutzt wird.
3 zeigt einen Querschnitt entlang der Längsachse eines Ausführungsbeispiels der Multi-Tau-Brennkammeranordnung.
4 veranschaulicht in einer Grafik das Verhalten von Frequenz und Amplitude eines Ausführungsbeispiels der Multi-Tau-Brennkammeranordnung.
5 veranschaulicht in einer Grafik das Verhalten von Frequenz und Amplitude unterschiedlicher der Veranschaulichung dienender Ausführungsbeispiele der Multi-Tau-Brennkammeranordnung.
6 veranschaulicht in einer ebenen Abbildung einer mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand die Orte unterschiedlicher Düsen.
7 zeigt ein Punktdiagramm der Vormischzeit durch den Ort der Injektordüse.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das durch ein Ausführungsbeispiel einer Multi-Tau-Brennkammeranordnung durchgeführt wird.
9 veranschaulicht schematisch das Gasturbinensystem.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht eine Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 mit einem Brennkammeranordnungsgehäuse 13 und einer Endabdeckungsanordnung 15. In dem Brennkammergehäuse 13 ist eine Strömungshülse 17 angeordnet, die im Wesentlichen zylindrisch sein kann. In der Strömungshülse 17 ist eine mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 19 eingesetzt, die weiter unten näher erläutert ist. Die mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 19 und die Endabdeckungsanordnung 15 bilden eine Brennkammer 20.
Angrenzend an die Endabdeckungsanordnung 15 befindet sich eine Domanordnung 21. Die Domanordnung 21 kann einen Zentralgrundkörpereinsatz 23 aufweisen, der durch die Endabdeckungsanordnung 15 hindurch angeordnet ist. Der Zentralgrundkörpereinsatz 23 ist hohl und kann einen oder mehrere Sensoren 25 und sonstige Zentralgrundkörperkomponenten 27 enthalten (beispielsweise eine Zündvorrichtung, einen Brenner, eine Flüssigbrennstoffzündeinrichtung, einen kleinen Hochfrequenz-(HF)-Resonator oder vielfältige Rückführungssensoren). Spezielle Optionen können ausgewählt werden, die eine spezielle Aufgabe oder Produktkonfiguration, z. B. hinsichtlich Gasbrennstoff oder Zweibrennstoff, am besten unterstützen. Der Zentralgrundkörpereinsatz 23 weist eine Öffnung 29 auf, die es einem Oxidationsfluid erlaubt, in den Innenraum des Zentralgrundkörpereinsatzes 23 einzutreten. Das Oxidationsfluid kann ein Oxidationsmittel, z. B. Luft, oder ein Gemisch eines Oxidationsmittels und eines Verdünnungsmittels, beispielsweise Wasser, Dampf, Stickstoff oder eine sonstige inerte Substanz, sein, die genutzt wird, um das Oxidationsmittel zu verdünnen. In dem Zentralgrundkörpereinsatz kann eine perforierte Platte 30 angeordnet sein, um die Sensoren 25 und Zentralgrundkörperkomponenten 27 zu stützen und dem Sensor 25 und Zentralgrundkörperkomponenten 27 Kühlung bereit zu stellen.
Die Domanordnung 21 kann auch eine zentrale Düsenanordnung 31 enthalten, die auf einem kegelstumpfförmigen Glied mit einer konkaven Oberfläche basieren kann. Die zentrale Düsenanordnung ist von einem ersten äußeren Domelement 33 und einem zweiten äußeren Domelement 34 umgeben, die halbringförmig gestaltet sein können. Die zentrale Düsenanordnung 31 kann einen oder mehrere primäre Injektionskanäle enthalten, beispielsweise primäre Injektionskanäle 35 und 37, die unterschiedliche Längen aufweisen können. Der zentralen Düsenanordnung 31 wird Brennstoff aus der primären Brennstoffquelle 39 durch die Endabdeckungsanordnung 15 und in einen Primärdüsenverteiler 41 zugeführt. Eine Verdrallervorrichtung 43 kann mit der Domanordnung 21 versehen sein. Die Domanordnung 21 und die Verdrallervorrichtung 43 erzeugen in dem Strom Turbulenzen, um das Oxidationsfluid rasch mit dem Brennstoff zu vermischen. Die Verdrallervorrichtung 43 bewirkt, dass ein Teil der Verbrennungsprodukte zurückströmt, so dass große Turbulenz entsteht. In einem Ausführungsbeispiel strömt der Hauptteil des Oxidationsfluids radial zu der zentralen Düsenanordnung 31. Die Verdrallervorrichtung 43 verleiht dem Strom mittels (nicht gezeigter) Leitschaufeln oder Schlitzen eine gewisse Verwirbelung (Tangentialgeschwindigkeit). Der Verwirbelungswinkel (Winkel der Leitschaufeln oder Schlitze), der durch die zentrale Düsenanordnung 31 hindurch auf den Oxidationsfluidstrom wirkt, kann zwischen etwa –60° und +60° betragen, wobei ein negativer Wert entgegengesetzt gegenüber dem Hauptabführturbulenzstrom bedeutet (0° würde bedeuten, dass keine Verwirbelung stattfindet). In einem Ausführungsbeispiel kann die Verwirbelung unter einem Winkel von etwa +45° austreten. Brennstoff kann in den Oxidationsfluidstrom injiziert werden, bevor, während und nachdem diesem die Verwirbelung aufgeprägt ist. Die Domanordnung 21 kann mit mehreren Effusionskühllöchern 44 ausgebildet sein. Die Effusionskühllöcher 44 bringen auf die Innenflächen der Brennkammer 20 eine Kühlfluidschicht auf.
Auf der Strömungshülse 17 können mehrere (d. h. mindestens zwei) Düsen, beispielsweise Injektoren 45, angeordnet sein, die mit einem Injektorbrennstoffverteiler 47 auf der Strömungshülse 17 verbunden sind. Dem Injektorbrennstoffverteiler 47 wird aus einer Injektorbrennstoffquelle 49 Brennstoff zugeführt, der durch die Endabdeckungsanordnung 15 befördert wird. In einem Ausführungsbeispiel kann die Injektorbrennstoffquelle 49 ein Ring sein, der in der Endabdeckungsanordnung 15 ausgebildet ist, die mehrere Injektorbrennstoffverteiler 47 auf der Strömungshülse 17 aufweist. An der Strömungshülse 17 kann eine Öffnung 51 ausgebildet sein, um dem Zentralgrundkörpereinsatz 23 Oxidationsfluid zuzuführen. In einem Ausführungsbeispiel kann mehr als eine Öffnung 51 vorgesehen sein. zwischen dem ersten äußeren Domelement 33 und dem zweiten äußeren Domelement 34 kann benachbart zu der Strömungshülse 17 ein Resonator (Dämpfungseinrichtung) 53 angeordnet sein. Der Resonator 53 kann als Ring, mit oder ohne Leitbleche, oder als eine andere Art eines Volumenseparators gestaltet sein. Die Domanordnung 21 und die mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 19 definieren eine primäre Abführzone 60, wobei das Gemisch von Brennstoff und Oxidationsfluid aus den Strömungskanälen 56 befördert und gemischt wird. Der Resonator 53 kann mittels Kühlfluid (gewöhnlich Oxidationsfluid) gereinigt werden, das der Domanordnung 21 an einem speziellen Ort bezogen auf die primäre Abführzone 60 zugeführt wird.
Die Abmessungen des ersten äußeren Domelements 33 und des Zentralgrundkörpereinsatzes 23 können in Abhängigkeit von den gewünschten Ergebnissen variieren. Beispielsweise würde eine längere Abmessung des ersten äußeren Domelements 33 und des Zentralgrundkörpereinsatzes 23 eine längere mittlere Vormischzeit (mittleres Tau) vorsehen. Eine längere Abmessung des ersten äußeren Domelements 33 und des Zentralgrundkörpereinsatzes 23 würde zudem eine größere Unabhängigkeit von dem Gemisch von Oxidationsfluid und Brennstoff ermöglichen, das durch die Strömungshülse 17 geliefert wird. Eine kürzere Abmessung des ersten äußeren Domelements 33 würde es ermöglichen, die Masse des zu kühlenden Materials zu reduzieren und würde eine kürzere mittlere Vormischzeit erlauben. In einem Ausführungsbeispiel endet das erste äußere Domelement 33 in der Nähe der primären Abführzone 60.
Die mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 19 kann (wie auch in 2 veranschaulicht) mit mehreren Rippen 55 ausgestattet sein, die mehrere Strömungskanäle 56 bilden. In einem Ausführungsbeispiel können die Rippen 55 spiralförmig und gleichmäßig beabstandet sein. Die mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 19 und die Strömungshülse 17 erzeugen eine Gruppe einzelner Strömungskanäle 56 mit einer spiralförmigen Geometrie (spiralförmige Strömungskanäle). Die mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 19 kann durch geeignete Befestigungsmittel, beispielsweise durch einen Stift 57, an der Strömungshülse 17 befestigt sein.
Obwohl die Rippen 55 in dem vorausgehenden Ausführungsbeispiel als spiralförmige Rippen veranschaulicht sind, kommen auch andere geometrische Formen in Betracht und können Strömungskanäle 56 beinhalten, die als geradlinige Kanäle, Labyrinthkanäle, und dergleichen konstruiert sind.
Die Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 ist mit einem Brennkammerwandverlängerungs- oder Übergangsstück 61 versehen, das Hochdruckverbrennungsausstoß (der als gestrichelt gezeichnete Pfeile veranschaulicht ist) zu einer Turbine 62 befördert. Eine ringförmige Hülse 63 kann vorgesehen sein, um Verdichterausgabefluid (als kompakte Pfeile dargestellt) zu leiten, so dass das Übergangsstück 61 gekühlt wird und das Oxidationsfluid in die Strömungskanäle 56 gelenkt wird.
Während des Betriebs der Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 wird verdichtetes Oxidationsfluid von einem (nicht gezeigten) Verdichter zwischen dem Brennkammergehäuse 13 und der Strömungshülse 17 durch eine Öffnung 51 befördert. Ein erster Teil des Oxidationsfluids wird an mehreren Prallöffnungen 52 vorbei geleitet, die an dem zweiten äußeren Domelement 34 ausgebildet sind, und dient zur Kühlung der Domanordnung 21. Ein zweiter Teil des Oxidationsfluids wird zu dem Zentralgrundkörpereinsatz 23 befördert. Ein Teil des ersten Teils des Oxidationsfluids wird zu dem Resonator 53 befördert und dient zur Spülung des Resonators 53. Der Rest des ersten Teils des Oxidationsfluids speist die Verdrallervorrichtung 43 der zentralen Düsenanordnung 31.
Brennstoff aus der primären Brennstoffquelle 39 strömt in die zentrale Düsenanordnung 31 und wird durch primäre Injektionskanäle 35 und 37 in die Brennkammer 20 injiziert. Wie in 1 veranschaulicht, sind die primären Injektionskanäle 35 und 37 längs des Radius des Primärdüsenverteilers 41 an unterschiedlichen Orten angeordnet, um dadurch eine unterschiedliche Vormischzeit für das Gemisch von Oxidationsfluid und Brennstoff zu erzeugen.
Brennstoff aus der Injektorbrennstoffquelle 49 wird zu dem Injektorbrennstoffverteiler 47 durch die mehreren Injektoren 45 und in die Strömungskanäle 56 befördert, die in der mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand 19 gebildet sind. Der Brennstoff vermischt sich mit dem Oxidationsfluid und erzeugt einen Gemischstrom von Oxidationsfluid und Brennstoff. Die mit Rippen ausgebildete Konstruktion ermöglicht kanalbezogen unabhängige Brennstoff-Luft-Gemischströme. Jeder der mehreren Injektoren 45 ist an einem vorbestimmten Ort an einem entsprechenden Strömungskanal 56 angeordnet. Die Orte der Injektoren 45 sind ausgewählt, um für zumindest einige der mehreren Ströme des Brennstoff-Luft-Gemisches eine unterschiedliche Vormischzeit vorzusehen, und um eine Vermischung über eine beträchtliche Pfadlängenstrecke (z. B. von 5 bis 40 Zoll) zu fördern. In diesem Ausführungsbeispiel weisen sämtliche Strömungskanäle 56 die gleiche Einlassebene und Auslassabführebene auf. Der Ort der Injektoren 45, an dem der Brennstoff entlang des Pfades der Strömungskanäle 56 injiziert wird, bestimmt die Strömungspfadlänge zwischen den Injektoren 45 und der Brennkammer 20. Die Strömungspfadlänge bestimmt die Vormischzeit (Tau), die als der Zeitraum definiert ist von dem Zeitpunkt, in dem der Brennstoff in der Vormischeinrichtung injiziert ist, bis zu dem Zeitpunkt, in dem er in der Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 verbrennt.
In einem Ausführungsbeispiel kann jeder Strömungskanal 56 seine eigene spezielle Vormischzeit (Tau) aufweisen, so kann beispielsweise eine Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 mit vierundzwanzig Leitschaufeln vierundzwanzig (oder mehr) verschiedene Tau-Werte aufweisen, die über einen verhältnismäßig großen Bereich (z. B. 3 bis 15 Millisekunden) verteilt sind. Das kleinste Tau würde durch die Vormischqualität begrenzt sein, während das größte Tau durch die (brennstoffspezifische) Selbstzündungszeit oder durch eine Beschränkung der Hüllkurvengröße begrenzt sein könnte. Innerhalb eines vorgegebenen Strömungskanals 56 wird an einem Ort, der einem speziellen Tau entspricht, der gasförmige Brennstoff mittels eines oder mehrerer Injektoren 45 aus der inneren Wand der Strömungshülse 17 in den Strömungskanal 56 injiziert. Die Injektoren 45 können (unter einem Gesamtwinkel) von der Wand der Strömungshülse 17 freitragend radial nach innen in den Strömungskanal 56 ragen, während sie sich mit einem speziellen Brennstoffsammelhohlraum 49 (beispielsweise einer Injektorbrennstoffquelle) in Strömungsverbindung befinden. Die Injektoren 45 können auf Blättern basieren, die mit einer Anzahl von Einspritzöffnungen ausgebildet sind, können mehrere kegelig zulaufende Röhren sein, die in den Kanal ragen, oder können mehrere ebene Wandöffnungen sein. In einem Ausführungsbeispiel sind die Brennstoffinjektoren 45 an der mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand 19 oder an den Rippen 55 nicht strukturell angebracht. Allerdings ist die mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 19 in der Regel an mehreren Orten in der Nähe des hinteren Endes strukturell mit der Strömungshülse 17 verstiftet.
Die mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 19 schafft die zusätzliche Funktionalität einer Verfeinerung der Kühlfähigkeit durch eine Vergrößerung der Wärmeübertragungskühlfläche (Rippenkühlung) und durch eine fortlaufende Beschleunigung des Kühlstroms in den Strömungskanälen 56. Eine größere Wärmeübertragungsfläche (Kaltseite) und/oder eine höhere Strömungsbeschleunigung bedeutet eine bessere Kühlung der mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand 19 und somit für einen vorgegebenen Wärmefluss niedrigere Temperaturen.
In einem Ausführungsbeispiel wandeln die Rippen 55 einen Teil des nur in axialer Richtung (d. h. in der Vorwärtsrichtung, in Richtung der Endabdeckungsanordnung 15 oder des Kopfendes) verlaufenden Ringkanalstroms in einen spiralförmigen Strom um, so dass der Strom die Strömungskanäle 56 mit einer Verwirbelungskomponente in die primäre Abführzone 60 hinein verlässt. Die Spiralganghöhe ist ein Konstruktionsparameter, der variiert werden kann, um die Gesamtmischlänge oder das Maß der austretenden Verwirbelung zu ändern. Allgemein könnte die Spiralganghöhe so eingestellt werden, dass der austretende Strom (Verwirbelungsgeschwindigkeitskomponente) im Bereich von 0° (keine Verwirbelung) bis ungefähr 65° (sehr hohe Verwirbelung) gegenüber der Brennkammersymmetrieachse gedreht würde. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Ganghöhe so eingestellt, dass die austretende Strömung im Bereich von etwa 35° bis 55° (nominal 45°) gedreht wird. Weiter könnte die Spiralganghöhe in einem anderen Ausführungsbeispiel entlang der Länge der mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand 19 variiert werden, um Tau-Werte und/oder Mischungsqualität entlang des Vormischpfads zu beeinflussen.
An dem Auslass der Strömungskanäle 56, entleert sich die Wirbelströmung in die primäre Abführzone 60, die durch die Domanordnung 21 gebildet ist, die bewirkt, dass der Strom radial nach innen beschleunigt wird. Die starke Beschleunigung der Wirbelströmung nach innen vermischt die Reaktionspartner zusätzlich und bereitet den Strom mit Blick auf die Expansion und eine starke, stabile ringförmige Rückströmung vor. Die Verbrennungszone der Brennkammer 20 wird zusätzlich durch die unabhängige Brennstoffzufuhr der zentralen Düsenanordnung 31 stabilisiert, die mit der Hauptreaktion getaktet ist und diese steuert.
Der größte Teil der verbliebenen Luft, d. h. der Verbrennungsluft, die die Strömungskanäle 56 umgeht, dient (über Aufprall- und Effusionskühlung) zur Kühlung der Domanordnung 21, zur Vormischung und Verbrennung mit Brennstoff aus der primären Brennstoffquelle 39 mittels der zentralen Düsenanordnung 31, zur Reinigung der Hohlräume des Resonators 53, zur Unterstützung der Flüssigbrennstoff-Feinzerstäubung und/oder zur Kühlung des Zentralgrundkörpereinsatzes 23 und Sensors 25 und der Zentralgrundkörperkomponenten 27. Über drei Viertel der ”Bypass-Luft” kühlt zunächst die Domanordnung 21 durch Aufprall, bevor sie in der zentralen Düsenanordnung 31 zur Effusionskühlung, zum Spülen und zum Vormischen genutzt wird.
Die zentrale Düsenanordnung 31 sammelt verbrauchte Domkühlungsaufprallluft (die zwischen 15 und 20% der Verbrennungsluft beträgt) und verwirbelt sie, während sie darin gasförmigen Brennstoff injiziert und mischt. Die wirbelnden Reaktionspartner expandieren in die Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 hinein, wobei sie eine stabile zentrale Rezirkulationszone erzeugen. Die zentrale Düsenanordnung 31 wird mit Brennstoff aus der primären Brennstoffquelle 39 beliefert, und dient in erster Linie zur Zündung, Beschleunigung und zum Niederlastbetrieb. Die Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 kann konstruiert sein, um zum Zeitpunkt der Zündung nahezu 100% des gesamten Brennstoffstroms der Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 zu enthalten. In der Nähe der Grundlast wird der Brennstoffzustrom (in Übereinstimmung mit den NO_x-Emissionsvorschriften) weniger als etwa 15% betragen. Die zentrale Düsenanordnung 31 verleiht der Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 Flexibilität, um den gesamten Geschwindigkeit-Last-Raum abzudecken.
3 veranschaulicht eine Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11, die für Flüssigbrennstoffbetrieb angepasst ist, und einen Abschnitt der Domanordnung 21 mit einem Flüssigbrennstoffinjektor 68 für ein Ausführungsbeispiel einer Zweibrennstoffoption. Für Flüssigbrennstoffbetrieb kann benachbart zu der Domanordnung 21 einer oder mehrere Flüssigbrennstoffinjektor(en) 68 angeordnet sein, die Flüssigbrennstoff weg von der Domanordnung 21 in die vorwärts (in Richtung der Domanordnung 21) strömenden, spiralförmig wirbelnden Luftströme injizieren, während diese in die primäre Abführzone 60 eintreten. Der (die) Flüssigbrennstoffinjektor(en) 68 kann (können) beliebige unterschiedliche Sprüheinrichtungen beinhalten, um die Flüssigkeit einzuspeisen, z. B. einen ebenen Strahl, eine Strahlverwirbelung, einen Fächersprühstrahl, einen Simplexstrahl, einen Vorfilmluftstoß, und dergleichen. Wie im Falle des Gasbrennstoffszenarios können der eine (oder die mehreren) Flüssigbrennstoffinjektor(en) 68 in Untergruppen zusammengefasst sein und in vielfältigen Konstruktionen durch einen oder mehrere Flüssigbrennstoffhauptkreisläufe beschickt werden. In einem Ausführungsbeispiel können acht (durch die Endabdeckungsanordnung 15 von hinten her beschickte) Flüssigbrennstoffinjektoren 68 einheitlich durch einen Flüssigbrennstoffkreislauf 69 versorgt sein. In dem Zentralgrundkörpereinsatz 23 kann eine unabhängige Flüssigbrennstoffzündeinrichtung 70 angeordnet sein. Die Flüssigbrennstoffzündeinrichtung 70 kann zur Zündung und für den Leerlaufbetrieb genutzt werden. Die Flüssigbrennstoffzündeinrichtung 70 und der Flüssigbrennstoffhauptkreislauf 69 können während des Betriebs in Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl und/oder Last aktiv überwacht und moduliert werden.
4 veranschaulicht grafisch die Wirkung mehrerer Tau-Werte auf durch Verbrennung angeregte Schwingungen. Das Diagramm zeigt Anregungsergebnisse, wobei ein einziges Tau (beispielsweise in einer Kopfendkonfiguration von 2,6+, 5-um-1), das durch eine Doppellinie dargestellt ist, mit 24 verschiedenen Tau-Werten verglichen wird, die durch eine durchgezogene Linie repräsentiert sind, wobei jeder der Tau-Werte gleichmäßig beabstandet ist – wobei für sämtliche Tau-Werte eine konstruktive Kopplung konservativ angenommen ist. Jedes Tau ist umgekehrt proportional zu dem Tau –∝ C/f einer speziellen Frequenz. Im Falle eines einzigen Tau-Werts wird die von sämtlichen sechs Düsen stammende gesamte Schwankungsenergie bei einer speziellen Frequenz (oder bei einem kleinen Frequenzbereich unter der Annahme einer geringen minimalen Abweichung zwischen diesen) fokussiert. Im Falle der mehreren Tau-Werte wird die Abweichung der Wärmefreigabe (Energie) mittels vieler Vormischzeiten auf viele Frequenzen verteilt, und es erhält keine einzelne Brennkammeranordnungsfrequenz eine ausreichende Wärmefreisetzungsschwankung, um die Schwingungen nennenswert anzuregen. Folglich ist es keiner einzelnen Frequenz erlaubt zu dominieren, und die Energie wird über viele Frequenzen verteilt, die sämtliche verhältnismäßig geringe Amplituden aufweisen. Das Ergebnis, das mehrere Tau-Werte verwendet, ist analog zu amorphem weißen Rauschen mit niedriger Amplitude.
5 vergleicht Ergebnisse für unterschiedliche Anzahlen von Tau-Werten. Die drei Graphen veranschaulichen von oben bis unten die Ergebnisse mit sechs, zwölf bzw. vierundzwanzig Tau-Werten, und es ist ersichtlich, dass die Amplitudenantwort mit dem Wachsen der Anzahl einzelner Tau-Werte flacher wird. Für jeden Brennstoff/Luft-Strom, der durch einen Strömungskanal 56 strömt, ist das Tau teilweise eine Funktion des Orts des Injektors 45 für jenen speziellen Strömungskanal 56. Ein Verteilen der Wärmefreigabe über viele Tau-Werte wird durchgeführt, um das Szenario eines weißen Rauschens wenigstens für mäßige bis verhältnismäßig niedrige Frequenzen (z. B. 80 bis 1000 Hz) anzunähern, die gewöhnlich den charakteristischen Volumina und Längen einer Brennkammeranordnung in Kombination mit speziellen thermodynamischen/fluiddynamischen Randbedingungen und Anregungsmechanismen zugeordnet sind. Sämtliche fortdauernden höheren Frequenzen (z. B. > 1000 Hz, die radialen oder transversalen Moden zugeordnet sind) werden durch Resonatoren 53 gedämpft, die in der primären Abführzone 60 und um diese herum strategisch dort angeordnet sind, wo die mittlere Wärmefreigabe tatsächlich auftritt.
Durch Verbrennung erregte Dynamik lässt sich reduzieren, wenn mindestens zwei Strömungskanäle 56 mit Injektoren 45 versehen sind, die beispielsweise so angeordnet sind, dass sie mindestens zwei Tau-Werte erzeugen, oder alternativ, wenn wenigstens sechs Strömungskanäle 56 mit Injektoren 45 bereitgestellt sind, die so angeordnet sind, dass sie wenigstens sechs Vormischzeiten (Tau-Werte) bereitstellen; oder alternativ, wenn wenigstens zwölf Strömungskanäle 56 mit mindestens zwölf Injektoren 45 versehen sind, die so angeordnet sind, dass sie wenigstens zwölf Vormischzeiten bereitstellen; oder alternativ, wenn wenigstens vierundzwanzig Strömungskanäle 56 mit mindestens vierundzwanzig Injektoren 45 versehen sind, die so angeordnet sind, dass sie wenigstens vierundzwanzig Vormischzeiten bereitstellen. Die Vormischzeiten können eingestellt werden, indem die Injektoren 45 längs des Strömungskanal 56 an unterschiedlichen Orten platziert werden, und indem die Länge des zurückzulegenden Pfades des Brennstoff/Luft-Gemisches entlang der Strömungskanäle 56 durch Variieren des Abstands zu der Brennkammer 20 verändert wird. Die Verbesserungen werden erreicht, indem in einen Luftstrom an mehreren Orten Brennstoff eingespritzt wird, um mehrere Brennstoff-Luft-Gemischströme zu erzeugen. Jeder Ort eines Injektors 45 ist ausgewählt, um zumindest für einen Teil der Brennstoff-Luft-Gemischströme eine andere Vormischzeit vorzusehen.
Die Brennstoffinjektion für die verschiedenen Strömungskanäle 56 kann in vielfältige Untergruppen zusammengefasst sein. 6 veranschaulicht eine Gruppierung, in der vierundzwanzig (24) Strömungskanäle 56 in sechs (6) Cluster gruppiert sind, wovon jedes vier (4) Strömungskanäle 56 enthält, und wobei jeder über einen Injektor 45 beliefert wird. Für Zwecke der Darstellung ist die spiralförmige Gruppe in einer Ebene flach abgebildet. Mittels der Strömungshülse 17 und der Endabdeckungsanordnung 15 (wie sie in 1 dargestellt sind), um den Elternbrennstoffzustrom zu trennen, kann jede Untergruppe (Kind) über einen speziellen Brennstoffkreislauf (z. B. A, B, usw.) beschickt werden. Dies ermöglicht eine unabhängige Untergruppenbrennstoffstufung. Die Brennstoffaufteilungen zwischen Kreisläufen können in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit oder der Last variiert oder moduliert werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Untergruppen durch zwei identisch bemessene Vormischkreisläufe (A & B) gespeist. In dem Beispiel von 6 wechseln sich die durch den Vormischkreislauf A und den Vormischkreislauf B mit Brennstoff belieferten Untergruppen auf dem Weg um den Außenumfang der Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 ab. Durch Abwechseln der Vormischkreisläufe lässt sich erzielen, dass sich drei 4-Kanal-Gruppierungen, die durch den Vormischkreislauf A mit Brennstoff beliefert werden, mit drei 4-Kanal-Gruppen abwechseln, die mit Brennstoff durch Vormischkreislauf B beliefert werden.
Obwohl in dem in 6 veranschaulichten Ausführungsbeispiel vierundzwanzig Strömungskanäle 56, die in sechs Clustern gruppiert sind, beschrieben sind, kann eine beliebige Kombination von Strömungskanälen 56 und Clustern genutzt werden und beispielsweise zwischen drei und sechsunddreißig Strömungskanäle aufweisen.
7 veranschaulicht ein Beispiel der Verteilung von Vormischzeiten, die durch Platzieren der Injektoren 45 an unterschiedlichen Orten in den Strömungskanälen 56 erreicht werden kann. Die vertikale Achse zeigt eine Rippennummer, die den Strömungskanal 56 kennzeichnet, und die horizontale Achse bezeichnet das Tau, das durch die spezielle Nummer des Strömungskanals 56 dividiert durch das minimale Tau erzeugt wird.
Die unterschiedlichen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele schaffen für eine Magervorgemischgasturbine eine Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11, die konstruiert ist, um durch Verbrennung geförderte Dynamik zu unterdrücken, die durch Schwankungen der Brennstoff-Luft-Vormischeinrichtung verursacht ist. 8 veranschaulicht ein Verfahren zur Dämpfung von Brennkammerdynamik 81. In Schritt 83 kann Oxidationsfluid an mehrere Strömungskanäle 56 ausgegeben werden, die an einer mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand 19 gebildet sind. In Schritt 85 kann anschließend Brennstoff in mindestens zwei der mehreren Strömungskanäle 56 eingespeist werden, um mehrere Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid zu erzeugen. Der Brennstoff kann an vorbestimmten Orten injiziert werden, um zwischen den vorbestimmten Orten und der Brennkammer 20 unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen. In Schritt 87 können die mehreren Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid in der Brennkammer 20 verbrannt werden. Dynamiken der Brennkammeranordnung können auch unterdrückt werden, indem entlang der Längsachse der Brennkammer 20 ein Gemisch von Oxidationsfluid und Brennstoff durch eine zentrale Düse, beispielsweise durch die zentrale Düsenanordnung 31, eingespritzt wird, die mit mehreren primären Injektionskanälen (beispielsweise mit dem primären Injektionskanal 35 und dem primären Injektionskanal 37) ausgebildet ist, die verschiedene Strömungspfadlängen aufweisen. Die Dynamik der Brennkammeranordnung kann außerdem unterdrückt werden, indem hochfrequente Schwingungen mittels eines Resonators (Dämpfungseinrichtung) 53 gedämpft werden.
Die Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 ist dazu eingerichtet, sich über ihren Betriebsbereich hinweg dynamisch ruhig zu verhalten, indem mehrere Brennstoff-Luft-Vormischzeiten (Tau-Werte), Resonatoren 53 zur Dämpfung der Hochfrequenz, sowie eine ringförmige Rückströmung der turbulenten Abfuhr mit Blick auf eine stabile Verbrennung verwendet werden. Darüber hinaus ist die Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 gegenüber Schwankungen oder Zyklusbedingungen des Brennstoffinjektionsdruckverhältnisses (dem modifizierten Wobbe-Wert) im Wesentlichen unempfindlich.
9 veranschaulicht ein Gasturbinensystem 101 zu dem gehören, ein Verdichter 102, eine Multi-Tau-Brennkammeranordnung 104, eine Turbine 106, die antriebsmäßig mit dem Verdichter verbunden ist, und ein Regelungs/Steuerungssystem (Steuereinrichtung) 108. Ein in den Verdichter führender Einlasskanal 110 speist Umgebungsluft und möglicherweise injiziertes Wasser in den Verdichter ein. Der Einlasskanal 110 kann Kanäle, Filter, Abschirmungen und Schall absorbierende Vorrichtungen aufweisen, die zu einem Druckabfall der Umgebungsluft beitragen, die durch den Einlasskanal 110 in Einlassleitschaufeln 112 des Verdichters 102 strömt. Ein Abgaskanal 114 für die Turbine 106 lenkt Verbrennungsgase aus dem Auslass der Turbine 106 beispielsweise durch (nicht gezeigte) Einrichtungen zur Emissionsüberwachung und Schalldämpfung. Der Abgaskanal 114 kann Schall absorbierende Materialien und Emissionsüberwachungsvorrichtungen enthalten, die einen Gegendruck auf die Turbine 106 ausüben. Die Turbine 106 kann eine Last, beispielsweise einen Generator 115, antreiben. Die Multi-Tau-Brennkammeranordnung 104 kann eine mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand 116, eine zentrale Düsenanordnung 118 und Injektoren 120 enthalten, die an unterschiedlichen Orten an der mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand 116 angeordnet sind.
Ein Brennstoffsteuerungssystem 122 regelt den Brennstoff, der von einer primären Brennstoffzufuhr 124 zu der zentralen Düsenanordnung 118 strömt, und den Brennstoff, der in die Injektoren 120, die an der mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand 116 angeordnet sind, und/oder zu Zonen von Strömungskanälen an der mit Rippen ausgebildeten Brennkammerwand 116 strömt. Das Brennstoffsteuerungssystem 122 kann zudem die Brennstoffart für die Multi-Tau-Brennkammeranordnung 104 auswählen. Das Brennstoffsteuerungssystem 122 kann eine gesonderte Einheit oder eine Komponente eines größeren Regelungs/Steuerungssystems 108 sein. Das Brennstoffsteuerungssystem 122 kann außerdem Brennstoffaufteilungssteuerbefehle erzeugen und durchführen, die den Teil des Brennstoffs, der zu der zentralen Düsenanordnung 118 strömt, und den Teil des Brennstoffs bestimmen, der zu Injektoren 120 strömt.
Das Regelungs/Steuerungssystem 108 kann ein SPEEDTRONIC^TM Gasturbinensteuerungssystem von General Electric sein, wie es beispielsweise in Rowen, W. 1., "SPEEDTRONICTM Mark V Gas Turbine Control System", GE-3658D, veröffentlicht durch GE Industrial & Power Systems of Schenectady, N. Y., beschrieben ist. Das Regelungs/Steuerungssystem 108 kann ein Computersystem mit einem (oder mehreren) Prozessor(en) sein, das Programme ausführt, um den Betrieb der Gasturbine durch Sensoreingaben und Befehle von Bedienpersonen zu steuern. Die durch das Regelungs/Steuerungssystem 108 ausgeführten Programme können Zeitplanungsalgorithmen zum Regeln des Brennstoffzustroms zu der Multi-Tau-Brennkammeranordnung 11 enthalten.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich zur Vereinfachung der Erläuterung spezieller Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. In Fällen, in denen die Definition von Begriffen von der gewöhnlich verwendeten Bedeutung des Begriffes abweicht, beabsichtigt der Erfinder die unten unterbreiteten Definitionen zu verwenden, es sei denn es ist speziell erwähnt. In dem hier verwendeten Sinne sollen die Singularformen der Artikel ”ein”, ”der”, ”die” und ”das” auch die Mehrzahlformen beinhalten, sofern aus dem Zusammenhang nicht deutlich Entgegenstehendes hervorgeht. Weiter ist klar, dass die Formulierungen ”weist auf” und/oder ”umfassen” im Sinne dieser Beschreibung das Vorhandensein genannter Merkmale, Integerzahlen, Schritte, Arbeitsschritte, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer sonstiger Merkmale, Integerzahlen, Schritte, Arbeitsschritte, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Obwohl die Begriffe erster, zweiter usw. hier verwendet werden können, um unterschiedliche Elemente zu beschreiben, ist klar, dass diese Elemente nicht durch diese Begriffe beschränkt sein sollen. Diese Begriffe dienen lediglich dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Beispielsweise könnte ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden, und in ähnlicher Weise könnte ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne von dem Schutzumgang von Ausführungsbeispielen abzuweichen. In dem hier verwendeten Sinne beinhaltet der Begriff ”und/oder” beliebige und sämtliche Kombinationen eines oder mehrerer zugeordneter aufgelisteter Elemente. In dem hier verwendeten Sinne betreffen die Ausdrücke ”verbunden mit” und ”gekoppelt mit”, wie sie in der Beschreibung und in den Ansprüche verwendet werden, eine unmittelbare oder mittelbare Verbindung/Kopplung.
Wie dem Fachmann klar, können die vielen unterschiedlichen Merkmale und Konstruktionen, die im Vorausgehenden in Zusammenhang mit den mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben sind, außerdem selektiv verwendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu bilden. Um der Kürze willen und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Fachmanns, sind sämtliche möglichen Iterationen nicht im Einzelnen unterbreitet oder erörtert, obwohl sämtliche Kombinationen und möglichen Ausführungsbeispiele, die von den beigefügten Ansprüchen oder in sonstiger Weise abgedeckt sind, als Teil der vorliegenden Erfindung anzusehen sind. Darüber hinaus werden dem Fachmann anhand der obigen Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen einfallen. Solche Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen im Rahmen des Standes der Technik sollen ebenfalls durch die beigefügten Patentansprüche abgedeckt sein. Weiter sollte verständlich sein, dass sich das Vorausgehende lediglich auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung bezieht, und dass hierin zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren äquivalente Bedeutungen definiert ist.
Eine Brennkammeranordnung mit einer Brennkammer ist mit einer äußeren Strömungshülse und einer Brennkammerwand versehen, die die Brennkammer umgibt. Mehrere Strömungskanäle sind an der Brennkammerwand ausgebildet, und mehrere Düsen sind an vorbestimmten Orten an den Strömungskanälen angeordnet. Die Orte der Düsen sind ausgewählt, um verschiedene Mischzeiten für Brennstoff vorzusehen, der durch die Düsen eingespeist wird.
Bezugszeichenliste

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11: Multi-Tau-Brennkammeranordnung
12
13: Brennkammeranordnungsgehäuse
14
15: Endabdeckungsanordnung
16
17: Strömungshülse
18
19: mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand
20: Brennkammer
21: Domanordnung
22
23: Zentralgrundkörpereinsatz
24
25: Sensor
26
27: Zentralgrundkörperkomponenten
28
29: Öffnung (an Zentralgrundkörpereinsatz)
30: perforierte Platte (zum Kühlen)
31: zentrale Düsenanordnung (kegelstumpfförmiges Glied mit konkav gestalteten Wänden)
32
33: erstes äußeres Domelement (Ringtorus)
34: zweites äußeres Domelement
35: primärer Injektionskanal
36
37: primärer Injektionskanal (Multi-Tau)
38
39: primäre Brennstoffquelle
40
41: Primärdüsenverteiler
42
43: Verdrallervorrichtung
44: Effusionskühllöcher
45: Injektor
46
47: Injektorbrennstoffverteiler
48
49: Injektorbrennstoffquelle
50
51: Luftöffnung
52: Prallöffnungen
53: Resonator (Dämpfungseinrichtung)
54
55: Rippen
56: Strömungskanäle
57: Stift
58
59
60: primäre Abführzone
61: Übergangsstück
62: Turbine
63: ringförmige Hülse
64
65
66
67
68: Flüssigbrennstoffinjektor
69: Flüssigbrennstoffkreisläufe
70: Flüssigbrennstoffzündeinrichtung
71: mittlere Amplitude für 6 Tau-Werte
72
73: mittlere Amplitude für 12 Tau-Werte
74
75: mittlere Amplitude für 24 Tau-Werte
76
77
78
79
80
81: Verfahren zur Dämpfung von Brennkammerdynamik
82
83: Schritt 83 – Oxidationsfluid kann an mehrere Strömungskanäle 56 ausgegeben werden
84
85: Schritt 85 – Brennstoff, der in mindestens zwei der mehreren Strömungskanäle eingespeist wird
86
87: Schritt 87 – mehrere Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid können verbrannt werden
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101: Gasturbinensystem
102: Verdichter
103
104: Multi-Tau-Brennkammeranordnung
105
106: Turbine
107
108: Regelungs/Steuerungssystem
109
110: Einlasskanal
111
112: Einlassleitschaufeln
113
114: Abgaskanal
115: Generator
116: mit Rippen ausgebildete Brennkammerwand
117
118: zentrale Düsenanordnung
119
120: Injektoren
121
122: Brennstoffsteuerungssystem
123
124: primäre Brennstoffzufuhr
125
126: sekundäre Brennstoffzufuhr
127
129
130

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rowen, W. 1., ”SPEEDTRONICTM Mark V Gas Turbine Control System”, GE-3658D, veröffentlicht durch GE Industrial & Power Systems of Schenectady, N. Y. [0071]

Claims

Brennkammeranordnung, zu der gehören: eine Brennkammer; eine äußere Strömungshülse; eine Brennkammerwand, die die Brennkammer umgibt, und die mit der äußeren Strömungshülse verbunden ist; mehrere Strömungskanäle, die der Brennkammerwand zugeordnet sind; mehrere Düsen; wobei bei zumindest einigen der mehreren Strömungskanäle mindestens eine der mehreren Düsen an vorbestimmten Orten angeordnet ist/sind, wobei die vorbestimmten Orte ausgewählt sind, um zwischen einigen der mehreren Düsen und der Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen.
Brennkammerwand für eine Brennkammeranordnung, zu der gehören: eine Anordnung, die mehrere Strömungskanäle aufweist, die in der Brennkammeranordnung zwischen einer Brennkammer und einer Hülse angeordnet sind.
Brennkammeranordnung oder Brennkammerwand nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Brennkammerwand eine Gruppe von vorspringenden spiralförmigen Rippen aufweist.
Brennkammeranordnung oder Brennkammerwand nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die mehreren Strömungskanäle an der Brennkammerwand ausgebildet sind.
Brennkammeranordnung oder Brennkammerwand nach Anspruch 4, wobei die mehreren Strömungskanäle dazu eingerichtet sind, einen Fluidstrom zu leiten, und wobei die mehreren Düsen dazu eingerichtet sind, Brennstoff einzuspritzen.
Brennkammeranordnung oder Brennkammerwand nach Anspruch 4, wobei die mehreren Strömungskanäle in mindestens zwei Abschnitte unterteilt sind, wobei jeder der mindestens zwei Abschnitte unabhängig Brennstoff von mindestens einer der mehreren Düsen aufnimmt.
Brennkammeranordnung oder Brennkammerwand nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Brennkammer eine Längsachse hat und zudem eine Domanordnung aufweist, die eine Düse enthält, die entlang der Längsachse der Brennkammer ein Gemisch von Brennstoff und Oxidationsfluid injiziert.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, zu der ferner wenigstens eine Dämpfungseinrichtung gehört, die benachbart zu der äußeren Strömungshülse angeordnet ist.
Gasturbine, zu der gehören: eine Brennkammeranordnung, die aufweist: eine Brennkammer; eine äußere Strömungshülse; eine Brennkammerwand, die die Brennkammer umgibt, und die mit der äußeren Strömungshülse, der Brennkammerwand und der äußeren Strömungshülse verbunden ist, so dass mehrere Strömungskanäle gebildet sind; mehrere Düsen; wobei bei mindestens zwei der mehreren Strömungskanäle mindestens eine der mehreren Düsen darin angeordnet ist/sind, um zwischen einigen der mehreren Düsen und der Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen.
Verfahren zur Dämpfung von Brennkammerdynamik, mit den Schritten: Bereitstellen von Oxidationsfluid für mehrere Kanäle, die an einer Brennkammerwand ausgebildet sind; Injizieren eines Brennstoffs in mindestens zwei der mehreren Kanäle, um mehrere Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid zu erzeugen, wobei der Brennstoff an vorbestimmten Orten injiziert wird, um zwischen den vorbestimmten Orten und einer Brennkammer unterschiedliche Strömungspfadlängen bereitzustellen; und Verbrennen jedes der mehreren Ströme von Brennstoff und Oxidationsfluid in der Brennkammer.