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Diese
Anmeldung betrifft im Allgemeinen Brennkammern und insbesondere
Gasturbinenbrennkammern.
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Weltweite
Bedenken hinsichtlich Luftverschmutzung haben zu strengeren Emissionsvorschriften
sowohl im Inland als auch internationalen Bereich geführt. Flugzeuge
sind sowohl von Vorschriften der "Environmental Protection Agency" (EPA) als auch der "International Civil
Aviation Organisation" (ICAO)
betroffen. Diese Vorschriften regeln die Emissionen von Stickstoffoxiden
(NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen
(HC) und Kohlenmonoxid (CO) aus Flugzeugen in der Nähe von Flughäfen, wo
sie zu photochemischen Smogproblemen im Stadtbereich beitragen.
Die meisten Flugzeugtriebwerke sind in der Lage, die derzeitigen
Emissionsvorschriften unter Nutzung von Brennkammertechnologien
und Theorien, die sich über
die letzten fünfzig Jahre
der Triebwerksentwicklung bewährt
haben, zu erfüllen.
Jedoch gibt es mit dem weltweiten Aufkommen noch größerer Umweltbedenken
keine Garantie, dass zukünftige
Emissionsvorschriften innerhalb der Fähigkeiten der derartigen Brennkammertechnologien
liegen.
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Im
Allgemeinen fallen Triebwerksemissionen in zwei Klassen: diejenigen,
die aufgrund hoher Flammentemperaturen (NOx)
erzeugt werden, und diejenigen, die aufgrund niedriger Flammentemperaturen
erzeugt werden, welche es nicht zulassen, dass die Brennstoff/Luft-Reaktion
bis zum Abschluss kommt (HC&CO).
Es existiert ein kleines Fenster, in welchem beide Verschmutzungen
minimiert werden. Damit dieses Fenster getroffen wird, müssen die
Reaktanten jedoch gut vermischt werden, so dass die Verbrennung
gleichmäßig über dem
Gemisch oh ne örtliche
auftretende heiße
Punkte, in welchen NOx produziert wird,
oder kalte Punkte, in welchen CO und HC erzeugt wird, erfolgt. Heiße Punkte
werden dort erzeugt, wo das Gemisch des Brennstoffs und der Luft
nahe an einem spezifischen Verhältnis
liegt, bei dem der gesamte Brennstoff und die Luft reagieren (d.h.,
kein unverbrannter Brennstoff oder Luft in den Produkten vorhanden
ist). Dieses Gemisch wird als stöchiometrisch
bezeichnet. Kalte Punkte können entstehen,
wenn entweder überschüssige Luft
vorhanden ist (als magere Verbrennung bezeichnet), oder wenn überschüssiger Brennstoff
vorhanden ist (als fette Verbrennung bezeichnet).
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Moderne
Gasturbinenbrennkammern bestehen aus zehn bis dreißig Mischern,
welche Luft mit hoher Geschwindigkeit mit einem feinen Brennstoffstrahl
vermischen. Diese Mischer bestehen üblicherweise aus einem einzigen
Brennstoffinjektor, der im Zentrum eines Verwirblers zum Verwirbeln
der ankommenden Luft zum Verbessern der Flammenstabilisierung und
Vermischung angeordnet ist. Sowohl der Brennstoffinjektor als auch
der Mischer sind auf einem Brennkammerdom angeordnet.
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Im
Allgemeinen ist das Brennstoff/Luft-Verhältnis in dem Mischer fett.
Da das Brennstoff/Luft-Verhältnis
der gesamten Brennkammer von Gasturbinenbrennkammern mager ist,
wird zusätzliche
Luft durch diskrete Verdünnungslöcher vor
dem Verlassen der Brennkammer zugeführt. Eine schlechte Vermischung
und heiße
Punkte können
sowohl bei dem Dom auftreten, wo der eingespritzte Brennstoff vor
der Verbrennung verdampft und vermischt werden muss, als auch in
der Nähe
der Verdünnungslöcher, bei
denen Luft dem fetten Domgemisch hinzugefügt wird.
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Richtig
ausgelegte, Fett-Dombrennkammern sind sehr stabile Vorrichtungen
mit breiten Entflammbarkeitsgrenzen und können niedrige HC- und CO-Emissionen
und akzeptable NOx-Emissionen erzeugen.
Jedoch gibt es eine grundsätzliche
Einschränkung
bei Fett-Dombrennkammern, da das fette Domgemisch durch stöchiometrische
oder maximales NOx erzeugende Regionen vor
dem Austritt aus der Brennkammer durchlaufen muss. Dieses ist besonders
wichtig, da sobald das Betriebsdruckverhältnis (OPR) moderner Gasturbinentriebwerke
für verbesserte
Zykluswirkungsgrade und Kompaktheit zunimmt, die Brennkammereinlasstemperaturen
und Drücke
die NOx-Erzeugung erheblich steigern. Da
die Emissionsvorschriften strenger werden und OPR's zunehmen, erscheint
es unwahrscheinlich, dass herkömmliche
Fett-Dombrennkammern die Anforderungen erfüllen können.
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Eine
Dombrennkammer auf dem neuesten Stand der Technik wird als eine
Doppel-Ringbrennkammer (DAC) bezeichnet, da sie zwei radial gestaffelte
Mischer auf jeder Brennstoffdüse
enthält,
welche von der Vorderseite einer Brennkammer aus betrachtet wie
zwei Kreisringe aussehen. Die zusätzliche Mischerreihe ermöglicht eine
Abstimmung für
einen Betrieb bei unterschiedlichen Bedingungen. Im Leerlauf wird
der äußere Mischer
mit Brennstoff versorgt, welcher für einen effizienten Betrieb
bei Leerlaufbedingungen ausgelegt ist. Im Hochlastbetrieb werden
beide Mischer mit Brennstoff versorgt, wobei der größere Anteil
von Brennstoff und Luft dem inneren Kreisring zugeführt wird,
welcher dafür
ausgelegt ist, bei einem Hochlastbetrieb am effizientesten und mit
geringen Emissionen zu arbeiten. Obwohl die Mischer für einen
optimalen Betrieb mit jedem Dom abgestimmt wurden, unterdrückt die
Grenze zwischen den Domen die CO-Reaktion über einen großen Bereich,
was den CO-Anteil dieser Konstruktionen höher als ähnlicher Fettdom-Einzel-Ringbrennkammern
(SACs) macht. Eine derartige Brennkammer ist ein Kompromiss zwischen
Niedriglastemissionen und Hochlast-NOx.
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Weitere
bekannte Konstruktionen mildern die vorstehend diskutierten Probleme
unter Nutzung einer Mager-Dombrennkammer. Anstelle der Trennung
der Pilot- und Hauptstufen in getrennte Dome und Erzeugen einer
signifikanten CO-Unterdrückungszone
an der Schnittstelle enthält
der Mischer konzentrische, aber unterschiedliche Pilot- und Hauptluftströme innerhalb
der Vorrichtung. Jedoch ist die gleichzeitige Steuerung von Niedriglast-CO/HC und
Rauchemissionen mit derartigen Konstruktionen schwierig, da eine
Erhöhung
der Brennstoff/Luft-Mischung oft zu hohen CO/HC-Emissionen führt. Die verwirbelte
Hauptluft hat natürlich
den Trend, die Pilotflammen mit sich zu reißen und auszulöschen. Um zu
verhindern, dass der Brennstoffstrahl in die Hauptluft mitgerissen
wird, erzeugt die Piloteinrichtung einen Strahl mit schmalem Winkel.
Dieses führt
zu einer Langstrahl-Flammeneigenschaft mit einer Strömung mit
geringer Verwirbelungszahl. Derartige Pilotflammen erzeugen starken
Rauch-, Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen und haben eine
schlechte Stabilität.
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Ferner
stellt
EP 0 660 038 eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung dar, welche reduzierte Mengen an NO
x-Emissionen erzeugt, und
US 4 498 288 stellt dar, wie eine
Brennstoffstufung zu einer Reduzierung von CO-Emissionen führt.
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In
einer exemplarischen Ausführungsform arbeitet
eine Brennkammer für
ein Gasturbinentriebwerk mit einem hohen Verbrennungswirkungsgrad und
niedrigem Kohlenmonoxid-, Stickoxid-, und Rauchemissionen, während Niedrig-,
Mittel- und Hochlast-Betriebsbedingungen. Die Brennkammer enthält eine zentrale
Mischeranordnung und eine sekundäre Mischeranordnung,
radial außerhalb
der zentralen Mischeranordnung. Die zentrale Mischeranordnung enthält einen
Pilotbrennstoffinjektor, wenigstens einen Verwirbler und einen Luftteiler.
Die sekundäre Mischeranordnung
ist in Umfangsrichtung außerhalb der
zentralen Mischeranordnung angeordnet und enthält eine Anzahl von Mischern,
die einen Verwirbler, einen Zerstäuber und eine Venturidüse beinhalten.
Die Brennkammer enthält
auch ein Brennstoffzuführungssystem
mit einem Pilotbrennstoffkreis, der der zentralen Mischeranordnung
Brennstoff zuführt, und
einen Hauptbrennstoffkreis, der wenigstens zwei Brennstoffstufen
enthält,
um der sekundären Mischeranordnung
Brennstoff zuzuführen.
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Während der
Niederlastbetriebs isoliert die zentrale Mischeranordnung aerodynamisch
eine Pilotflamme von einer Hauptstufe der Luft. Im Leerlauflastbetrieb
des Triebwerks injiziert die Brennkammer Bennstoff nur durch den
Pilotbrennstoffkreis direkt in die zentrale Mischeranordnung, während Luft
durch die sekundäre
Mischeranordnung geleitet wird. Da die Brennkammer während Leerlauflastbedingungen nur
den Pilotbrennstoffkreis betreibt, werden ein hoher Brennkammerleerlauflast-Betriebswirkungsgrad beibehalten
und die Brennkammeremissionen kontrolliert. Unter Betriebsbedingungen
bei erhöhter
Last wird Brennstoff sowohl durch die Pilot- als auch Hauptbrennstoffkreisläufe injiziert.
Der Brennstoff wird gleichmäßig durch
die Brennkammer verteilt, um die Kontrolle über die während eines Betriebs unter erhöhter Last
erzeugten Emissionen aufrecht zu erhalten. Demzufolge wird eine
Brennkammer geschaffen, welche mit einem hohen Verbrennungswirkungsgrad
unter gleichzeitiger Kontrolle und Aufrechterhaltung niedriger Kohlenmonoxid-,
Stickoxid- und Rauchemissionen während
Niedrig-, Mittel- und Hochlastbetriebsbedingungen arbeitet.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennkammer
ist; und
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2 eine
Querschnittsansicht einer Brennkammer ist, die in dem in 1 dargestellten
Gasturbinentriebwerk verwendet wird.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 10,
das einen Niederdruckkompressor 12, einen Hochdruckkompressor 14 und
eine Brennkammer 16 enthält. Das Triebwerk 10 enthält auch
eine Hochdruckturbine 18 und eine Niederdruckturbine 22.
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Im
Betrieb strömt
Luft durch den Niederdruckkompressor 12 und komprimierte
Luft wird von dem Niederdruckkompressor 12 dem Hochdruckkompressor 14 zugeführt. Die
hoch komprimierte Luft wird der Brennkammer 16 zugeführt. Ein
(in 1 nicht dargestellter) Luftstrom aus der Brennkammer 16 treibt
die Turbinen 18 und 20 an.
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2 ist
eine Querschnittsansicht der Brennkammer 16 zur Verwendung
mit einem Gasturbinentriebwerk ähnlich
dem in 1 dargestellten Triebwerk 10 und 3 ist
eine vergrößerte Ansicht der
Brennkammer 16 entlang des Bereichs 3. In einer Ausführungsform
ist das Gasturbinentriebwerk ein CFM-Triebwerk, das von General Electric
Company, Cincinnati, Ohio, erhältlich
ist. In einer weiteren Ausführungsform
ist das Gasturbinentriebwerk ein GE 90 Triebwerk, das von General
Electric Company, Cincinnati, Ohio erhältlich ist. Die Brennkammer 16 enthält eine
zentrale Mischeranordnung 36 und eine sekundäre Mischeranordnung 38,
die radial außerhalb der
zentralen Mischeranordnung 36 angeordnet ist. Die zentrale
Mischeranordnung 36 enthält eine Außenwand 42, einen äußeren Pilotverwirbler 44,
einen inneren Pilotverwirbler 46 und einen Pilotbrennstoffinjektor 48.
Die zentrale Mischeranordnung 36 weist eine Symmetrieachse 60 auf
und ist im Allgemeinen mit einem (nicht dargestellten) ringförmigen Querschnittsprofil
zylindrisch geformt. Eine (nicht dargestellte) innere Flamme, die
manchmal als Pilot bezeichnet wird, ist eine Sprühdiffusionsflamme, welche vollständig von
den Gasturbinenstartbedingungen an mit Brennstoff versorgt wird.
In einer Ausführungsform
liefert der Pilotbrennstoffinjektor 48 Brennstoff durch
(nicht dargestellte) Einspritzstrahlen. In einer alternativen Ausführungsform
liefert der Pilotbrennstoffinjektor 48 Brennstoff durch
(nicht dargestellte) Einspritzsimplexstrahlen.
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Der
Pilotbrennstoffinjektor 48 enthält eine Symmetrieachse 62 und
ist innerhalb der zentralen Mischeranordnung 36 so angeordnet,
dass die Symmetrieachse 62 des Brennstoffinjektors im Wesentlichen
zu der zentralen Mischersymmetrieachse 60 koaxial ist.
Der Brennstoffinjektor 48 injiziert Brennstoff in die Pilotflamme
und enthält
eine Einlassseite 64, eine Auslassseite 66 und
einen Körper 68,
der sich zwischen der Einlassseite 64 und der Auslassseite 66 erstreckt.
Die 66 enthält
eine konvergente Auslassdüse 70,
welche einen (nicht dargestellten) Brennstoffstrom aus dem Brennstoffinjektor 48 im Wesentlichen
parallel zu der Symmetrieachse 60 des zentralen Mischers
leitet.
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Ein
innerer Pilotverwirbler 46 ist ringförmig und ist um den Pilotbrennstoffinjektor 48 um
den Umfang herum angeordnet. Der innere Pilotverwirbler 46 enthält eine
Einlassseite 80 und eine Auslassseite 82. Ein
innerer Pilotluftstrom (nicht dargestellt) tritt in die Einlassseite 80 des
inneren Pilotverwirblers ein und wird beschleunigt, bevor er durch
die Auslassseite 82 des inneren Pilotverwirblers austritt.
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Ein
Basisluftstromteiler 90 ist stromaufwärts von dem inneren Pilotverwirbler 46 angeordnet.
Der Basisluftpilotteiler 90 enthält einen stromaufwärtigen Abschnitt 92 und
einen stromabwärtigen
Abschnitt 94, der sich aus dem stromaufwärtigen Abschnitt 92 erstreckt.
Der stromaufwärtige
Abschnitt 92 enthält eine
Vorderkante 96 und weist einen Durchmesser 98 auf,
der von der Vorderkante 96 bis zu dem stromabwärtigen Abschnitt 94 des
Luftstromteilers konstant ist. Der stromaufwärtige Abschnitt 92 enthält auch
eine Innenoberfläche 100,
die im Wesentlichen parallel und angrenzend an den inneren Pilotverwirbler 46 angeordnet
ist.
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Der
stromabwärtige
Abschnitt 94 des Luftstrompilotteilers erstreckt sich aus
dem stromaufwärtigen
Abschnitt 92 zu einer Hinterkante 103 des Teilers 90.
Der stromabwärtige
Abschnitt 94 konvergiert zu der Symmetrieachse 60 der
zentralen Mischeranordnung so, dass ein Mittelpunkt 104 des
stromabwärtigen
Abschnittes 94 einen Durchmesser 106 aufweist,
der kleiner als der Durchmesser 98 des stromaufwärtigen Abschnittes
ist. Der stromabwärtige
Abschnitt 94 divergiert außerhalb des Mittelpunktes 104 des
stromabwärtigen
Abschnittes so, dass der Hinterkantendurchmesser 108 größer als
der Mittelpunktdurchmesser 106 des stromabwärtigen Abschnittes
ist, jedoch kleiner als der Durchmesser 98 des stromaufwärtigen Abschnittes.
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Der äußere Pilotverwirbler 44 erstreckt
sich im Wesentlichen senkrecht aus einem Basisluftpilotteiler 90 und
ist an einer konturierten Wand 110 befestigt. Die konturierte
Wand 110 ist an der Außenwand 42 der
zentralen Mischeranordnung befestigt. Der äußere Pilotverwirbler 44 ist
ringförmig
und ist um den Umfang um einen Basisluftpilotteiler 90 herum
angeordnet. Die konturierte Außenwand 110 enthält einen
Scheitel 156, der zwischen dem konvergierenden Abschnitt 158 der
konturierten Wand 110 und einem divergenten Abschnitt 160 der
konturierten Wand 110 angeordnet ist. Der stromabwärtige Abschnitt 94 des
Teilers divergiert zu dem divergenten Abschnitt 160 der
konturierten Wand hin.
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Die
konturierte Wand 110 enthält auch eine Hinterkante 170,
die sich aus dem divergenten Abschnitt 160 der konturierten
Wand erstreckt. Die Hinterkante 170 ist im Wesentlichen
senkrecht zu der Symmetrieachse 60 der zentralen Mischeranordnung und
grenzt an eine Verbrennungszone 172 an. Die Verbrennungszone 172 wird
durch ringförmige,
radial äußere und
radial innere Gehäuseunterstützungselement 174 bzw. 176 und
einem Brennkammereinsatz 178 gebildet. Der Brennkammereinsatz 178 schirmt die äußeren und
inneren Stützelemente 174 bzw. 176 vor
der innerhalb der Brennzone 172 erzeugten Hitze ab und
umfasst einen äußeren Einsatz 180 und
einen inneren Einsatz 182. Der äußere Einsatz 180 und
der innere Einsatz 182 sind ringförmig und definieren die Verbrennungszone 172.
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Eine
sekundäre
Mischeranordnung 38 befindet sich radial außerhalb
der zentralen Mischeranordnung 36 und erstreckt sich in
Umfangsrichtung um die zentrale Mischeranordnung 36. In
einer Ausführungsform
ist die sekundäre
Mischeranordnung 38 als eine kostengünstige Mehrfach-Venturidüse (AMV)
bekannt. Die sekundäre
Mischeranordnung 38 enthält eine konzentrische Anordnung
von Mischern 190, die radial außerhalb der zentralen Mischeranordnung 36 positioniert
sind. In einer Ausführungsform
enthält
die Brennkammer 16 drei ringförmige Anordnungen von Mischern 190,
die zwischen der zentralen Mischeranordnung 36 und dem Außeneinsatz 180 der
Brennkammer positioniert sind, und zwei ringförmige Anordnungen von Mischern 190,
die zwischen der zentralen Mischeranordnung 36 und dem
Inneneinsatz 182 der Brennkammer angeordnet sind.
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Jeder
Mischer 190 enthält
einen Zerstäuber 192,
eine Venturidüse 194 und
einen Verwirbler 196. Der Mischer 190 weist eine
Vorderkante 200, eine Hinterkante 202 und eine
Symmetrieachse 204 auf. Die Mischer 190 sind so
positioniert, dass die Vorderkanten 200 im Wesentlichen
in einer Ebene liegen, und so, dass die Hinterkanten 202 ebenfalls
im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Zusätzlich liegen die Hinterkanten 202 der
Mischer im Wesentlichen in einer Ebene mit der Hinterkante 170 der
Konturwand der zentralen Mischeranordnung.
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Jeder
Zerstäuber 192 weist
eine Länge 206 auf,
die sich zwischen der Vorderkante 200 der sekundären Mischeranordnung
zu einer Spitze 208 des Zerstäubers 192 erstreckt.
Jeder Zerstäuber 192 ist koaxial
in Bezug auf die Symmetrieachse 204 der Mischeranordnung
innerhalb jeder Mischeranordnung 38 positioniert. In einer
Ausführungsform
sind die Zerstäuber 192 ringförmige Luftsimplexzerstäuber. Die
Zerstäuber 192 sind
ringförmig
und stehen mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffquelle in Verbindung.
Sobald Brennstoff der sekundären
Mischeranordnung 38 zugeführt wird, zerstäuben die
Zerstäuber 192 den
Brennstoff, bevor der zerstäubte Brennstoff
in die Brennkammer 172 eintritt.
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Die
Verwirbler 196 sind ringförmig und befinden sich radial
außerhalb
der Zerstäuber 192.
In einer Ausführungsform
sind die Verwirbler 192 Ein-Achsen-Verwirbler. In einer
alternativen Ausführungsform
sind die Verwirbler 192 Radial-Verwirbler. Die Verwirbler 196 bewirken
eine Verwirbelung der durch die sekundäre Mischeranordnung 38 strömenden Luft,
um die Zerstäuber 192 bei
der Zerstäubung des
Brennstoffs zu unterstützen
und um eine sorgfältige
Vermischung des Brennstoffs und der Luft vor dem Eintritt in die
Brennkammer 172 zu bewirken. In einer Ausführungsform
induzieren die Verwirbler 196 eine Verwirbelung der Luftströmung in
einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn. In einer weiteren Ausführungsform
induzieren die Verwirbler 196 eine Verwirbelung in einer
Richtung im Uhrzeigersinn. In noch einer weiteren Ausführungsform
induzieren die Verwirbler 196 eine Verwirbelung in Richtungen
gegen den Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn.
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Die
Venturidüsen 194 sind
ringförmig
und befinden sich radial außerhalb
der Verwirbler 196. Die Venturidüsen 194 enthalten
einen ebenen Abschnitt 210, einen konvergierenden Abschnitt 212 und
einen divergierenden Abschnitt 214. Der ebene Abschnitt 210 befindet
sich außerhalb
von und benachbart zu den Verwirblern 196. Der konvergierende
Abschnitt 212 erstreckt sich radial von dem ebenen Abschnitt 210 zu
einem Scheitelpunkt 216 der Venturidüse nach innen. Der divergierende
Abschnitt 214 erstreckt sich von dem Scheitelpunkt 216 der
Venturidüse
radial zu einer Außenkante 210 der
Venturidüse 194 nach
außen.
In einer alternativen Ausführungsform
enthält
die Venturidüse 194 nur
einen konvergierenden Abschnitt 212 und enthält keinen
divergierenden Abschnitt 214.
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Der
Scheitelpunkt 216 der Venturidüse befindet sich in einem Abstand 213 von
der Vorderkante 220 der sekundären Mischeranordnung. Der Abstand 213 ist
angenähert
gleich der Länge 206 des
Zerstäubers,
so dass sich jeder Scheitelpunkt 216 der Venturidüse in unmittelbarer
Nähe zu
der Spitze 208 des Zerstäubers befindet. Demzufolge
leitet der konvergierende Abschnitt 212 der Venturidüse den Luftstrom
zu der Spitze 208 des Zerstäubers, um den Zerstäuber 192 bei
der Zerstäubung
des Brennstoffs zu unterstützen
und um eine sorgfältige
Vermischung des Brennstoffs und der Luft sicherzustellen. Die angrenzend
an die zentrale Mischeranordnung 36 angeordneten Venturidüsen 194 erstrecken
sich von einer Außenoberfläche 222 der
Außenwand 42 aus.
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Ein
Brennstoffzuführungssystem 230 führt der
Brennkammer 16 Brennstoff zu und enthält einen Pilotbrennstoffkreis 232 und
einen Hauptbrennstoffkreis 234. Der Pilotbrennstoffkreis 232 führt dem
Pilotbrennstoffinjektor 48 Brennstoff zu und der Hauptbrennstoffkreis 234 führt der
sekundären
Mischeranordnung 38 Brennstoff zu und enthält drei
unabhängige
Brennstoffstufen, die zur Steuerung der innerhalb der Brennkammer 16 erzeugten
Stickoxidemissionen verwendet werden.
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Angrenzend
an die zentrale Mischeranordnung 36 befindliche Mischer 190 sind
radial innere Mischer oder Mischer 240 der ersten Brennstoffstufe und
werden während
einer ersten Brennstoffstufe versorgt. Zwischen radial inneren Mischern
und dem Brennkammereinsatz 178 befindliche Mischer 190 sind
radial äußere Mischer 242 und
werden während sekundärer und
dritter Brennstoffstufen versorgt. Insbesondere bilden angrenzend
an die Mischer 240 der ersten Stufe angeordnete Mischer 190 Mischer 244 der
sekundären
Brennstoffstufe und zwi schen Mischern 244 der sekundären Brennstoffstufe
und dem Brennkammereinsatz 178 angeordnete sekundäre Mischeranordnungen 38 bilden
Mischer 246 einer tertiären
Brennstoffstufe.
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In
Betrieb werden, wenn das Gasturbinentriebwerk 10 gestartet
und bei Leerlaufbetriebsbedingungen betrieben wird, Brennstoff und
Luft der Brennkammer 16 zugeführt. Während Leerlaufbetriebsbedingungen
der Gasturbine nutzt die Brennkammer 16 nur die zentrale
Mischeranordnung 36 für den
Betrieb. Der Pilotbrennstoffkreis 232 injiziert nur über den
Pilotbrennstoffinjektor 48 Brennstoff in die Brennkammer 16.
Gleichzeitig tritt Luftströmung
in den Pilotverwirblereinlass 80 ein und wird von der Pilotverwirblerauslassseite 82 aus
nach außen
beschleunigt, und ein zusätzlicher
Luftstrom tritt in die sekundäre
Mischeranordnung 38 über
die Verwirbler 196 ein. Die Pilotluftströmung strömt im Wesentlichen
parallel zu der zentralen Symmetrieachse 60 des Mischers
und trifft auf den Luftteiler 90 auf, welcher die Pilotluftströmung in
einer Verwirbelungsbewegung zu aus dem Pilotbrennstoffinjektor 48 austretendem
Brennstoff leitet. Die Pilotluftströmung bringt ein (nicht dargestelltes)
Sprühmuster
des Pilotbrennstoffinjektors 48 nicht zum Zusammenbruch,
sondern stabilisiert und zerstäubt
stattdessen den Brennstoff. Die Luftströmung der sekundären Mischeranordnung wird
durch die Venturidüsen 194 in
die Brennkammer 172 geleitet.
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Die
alleinige Nutzung der Pilotbrennstufe ermöglicht es der Brennkammer 16,
einen Niedriglastbetriebswirkungsgrad aufrechtzuerhalten und die
die Brennkammer 16 verlassenden Emissionen zu steuern und
zu minimieren. Da die Pilotluftströmung von der Luftströmung der
sekundären
Mischeranordnung getrennt ist, wird der Pilotbrennstoff vollständig gezündet und
verbrannt, was zu einer Mager-Stabilität und Niedriglast- Emissionen von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen
und Stickstoffoxid führt.
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Sobald
das Gasturbinentriebwerk 10 aus den Leerlaufbetriebsbedingungen
zu Betriebsbedingungen mit höherer
Last beschleunigt wird, werden zusätzlicher Brennstoff und Luft
in die Brennkammer 16 geleitet. Zusätzlich zu der Pilotbrennstoffstufe
wird während
Betriebsbedingungen mit erhöhter
Last der sekundären
Mischeranordnung 38 Brennstoff mir dem Hauptbrennstoffkreis
zugeführt.
Zu Beginn liefert, wenn die Lastbetriebsbedingungen erhöht werden,
die erste Brennstufe Brennstoff an die Mischer 240 der
ersten Brennstoffstufe. Durch die sekundäre Mischeranordnung 38 strömende und
durch die Verwirbler 196 der ersten Brennstoffstufenmischer
und durch die Venturidüsen 194 hindurchtretende
Luft unterstützt
die Zerstäuber 192 der
ersten Brennstoffstufenmischer bei der Zerstäubung des Brennstoffs.
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Sobald
das Gasturbinentriebwerk 10 weiter beschleunigt wird, wird
den Mischern 244 der sekundären Stufe Brennstoff zugeführt, bis
das Gasturbinentriebwerk 10 Hochlastbetriebsbedingungen
erreicht. Während
eines Hochlastbetriebsbedingungen wird nur den Mischern 246 der
tertiären
Brennstoffstufe Brennstoff zugeführt.
In einer alternativen Ausführungsform
enthält
der Hauptbrennstoffkreis 234 nur zwei unabhängige Brennstoffstufen,
die dazu genutzt werden, um die innerhalb der Brennkammer erzeugten
Stickoxidemissionen zu steuern und die sekundäre Brennstoffstufe liefert
sowohl an die Mischer 244 der sekundären Brennstoffstufe als auch
die Mischer 246 der tertiären Stufe Brennstoff. Die Venturidüsen 194 stellen
sicher, dass Brennstoff und Luft rasch vor der Verbrennung in der
Verbrennungszone 172 vermischt werden. Demzufolge werden
die Verbrennung in der Brennkammer 172 verbessert und Emissi onen
reduziert. Ferner werden, da die Verbrennung verbessert ist, und
da die sekundäre Mischeranordnung 38 den
Brennstoff gleichmäßig über die
gesamte Brennkammer 16 verteilt, die Flammentemperaturen
reduziert, und somit die Menge der innerhalb der Brennkammer 16 erzeugten
Stickoxide reduziert.
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Die
vorstehend beschriebene Brennkammer ist kosteneffizient und sehr
wirksam. Die Brennkammer enthält
eine zentrale Mischeranordnung, die während eines Niedriglastbetriebs
genutzt wird und eine sekundäre
Mischeranordnung, die während
Mittel- und Hochlastbetriebsbedingungen genutzt wird. Die zentrale
Mischeranordnung enthält
einen Luftteiler und die sekundäre
Mischeranordnung enthält
eine Anzahl von Mischern, Zerstäubern
und Venturidüsen, die
während
wenigstens zwei unabhängigen
Brennstoffstufen mit Brennstoff versorgt werden. Während Leerlauflastbetriebsbedingungen
arbeitet die Brennkammer mit niedrigen Emissionen und liefert nur
an die zentrale Mischeranordnung Brennstoff. Während Betriebsbedingungen mit
erhöhter
Belastung liefert die Brennkammer an die sekundäre Mischeranordnung Brennstoff,
um die Verbrennung zu verbessern und um die Flammentemperatur insgesamt
innerhalb der Brennkammer zu reduzieren. Als eine Folge der niedrigeren
Temperaturen und der verbesserten Verbrennung liefert die Brennkammer
einen hohen Betriebswirkungsgrad und verringerte Emissionen im Vergleich
zu bekannten Brennkammern. Somit wird eine Brennkammer geschaffen,
welche bei einem hohen Wirkungsgrad und mit niedrigen Kohlenmonoxid-,
Stickoxid- und Rauchemissionen arbeitet.