DE102008003300A1

DE102008003300A1 - Brennstoffflexibler dreifach gegenläufiger Verwirbler und Verfahren zu dessen Benutzung

Info

Publication number: DE102008003300A1
Application number: DE102008003300A
Authority: DE
Inventors: Ahmed Mostafa Elkady; Andrei Tristan Evulet
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2008-07-17
Also published as: JP5330693B2; RU2008100057A; JP2008170146A; CN101220953A; US20080163627A1; CN101220953B; RU2457397C2; KR20080065935A

Abstract

Ein brennstoffflexibler Brennstoff/Luftmischer weist auf: Ein Ringgehäuse; einen Zentralkörper; einen inneren Verwirbler, der rings um eine Außenfläche des Zentralkörpers angeordnet ist; ein Plenum eines Brennstoffs niedriger Energie mit einem Ringraum, der durch ein inneres und ein äußeres, zwischen sich einen Spalt begrenzendes Gehäuse ausgebildet ist; einen Brennstoffeinlass und einen Brennstoffplenumverwirbler, der in dem Spalt angeordnet ist; einen äußeren Verwirbler mit einem inneren, in Umfangsrichtung sich erstreckenden Endteil, der rings um das äußere Gehäuse des Brennstoffplenums angeordnet ist; und ein Gehäuse für einen Brennstoff hohen Energiegehalts, das an dem stromaufwärtigen Endteil des ringförmigen Gehäuses, in radialer Richtung außerhalb des zweiten Verwirblers und in Umfangsrichtung rings um das ringförmige Gehäuse angeordnet ist, wobei das Brennstoffgehäuse in Fluidverbindung mit dem äußeren Verwirbler steht.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein Brennkammern und mehr im Einzelnen brennstoffflexible Brennstoff/Luftmischer für Brennkammern mit magerer Vormischung zum Einsatz in Verbrennungsprozessen mit geringen Emissionen.
Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
Historisch gesehen wurde die Energiegewinnung aus Brennstoffen in Brennkammern mit diffusionsgesteuerter (bezeichnet auch als nicht vorgemischter) Verbrennung durchgeführt, wobei die Reaktanten zunächst voneinander getrennt sind und die Reaktion in dem Grenzgebiet zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel erfolgt, wo auch die Vermischung und die Reaktion stattfinden. Zu Beispielen solcher Vorrichtungen zählen, ohne darauf beschränkt zu sein, Flugzeug-Gasturbinen und aeroderivative Gasturbinen zum Einsatz bei der Erzeugung elektrischer Energie, bei Schiffsantrieben, zur gleichzeitigen Erzeugung von zwei verschiedenen Energiearten und zur Energieversorgung einer Offshore-Plattform, um nur einige zu benennen. Beim Entwurf solcher Brennkammern sehen sich die Ingenieure nicht nur der Anforderung gegenüber die Gesamtgröße der Brennkammern gleich zu halten oder zu reduzieren, die maximale Betriebstemperatur zu erhöhen und die speziellen Energiegewinnungsraten zu erhöhen, sondern auch einem stetig wachsenden Bedürfnis, die Bildung von behördlich überwachten unweltschädlichen Stoffen und deren Emission in die Umgebung zu verringern. Zu Beispielen solcher interessierender Hauptumweltschadstoffe zählen Stickstoffoxide (NO_x), Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte und teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe und Treibhausgase wie Kohlendioxyd (CO₂). Zufolge der Schwierigkeiten der Kontrolle örtlicher Veränderungen der Zusammensetzung in der Strömung, die von der Abhängigkeit von der mechanischen Fluidvermischung während der ablaufenden Verbrennung herrühren, wegen Spitzentemperaturen, die durch eine örtliche stöchiometrische Verbrennung bedingt sind, wegen der Verweilzeiten in Bereichen mit erhöhten Temperaturen und wegen der jeweiligen Sauerstoffverfügbarkeit bieten diffusionsgesteuerte Brennkammern lediglich eine geringe Möglichkeit den gegenwärtigen und zukünftigen Emissionsanforderungen zu genügen während gleichzeitig das jeweils gewünschte Niveau der Betriebseigenschaften aufrecht erhalten bleibt.
Seit kurzem werden Brennkammern mit magerer Vormischung (lean-premixed combusters) eingesetzt, um das Emissionsniveau unerwünschter Schadstoffe weiter zu reduzieren. Bei diesen Brennkammern werden zweckentsprechende Mengen von Brennstoff und Oxidationsmittel unter Verwendung eines Brennstoff/Luftmischers in einer Mischkammer vor dem Eintreten einer im Wesentlichen chemischen Reaktion in der Brennkammer gut miteinander vermischt, wodurch die im Vorstehenden aufgeführten Schwierigkeiten von diffusionsgesteuerten Brennkammern und anderen an sich bekannten Brennkammern leichter un ter Kontrolle gehalten werden können. Gebräuchliche Brennstoff/Luftmischer von Vormisch-Brennern beinhalten einen Satz innerer und äußerer, im Gegensinn umlaufender Verwirbler (Swirler), die allgemein anschließend an das stromaufwärtsseitige Ende eines Mischkanals angeordnet sind, um einem Luftstrom eine Verwirbelung aufzuprägen. Es sind verschiedene Wege zur Brennstoffinjektion in solchen Vorrichtungen bekannt, einschließlich der Einspeisung eines ersten Brennstoffs in den inneren oder äußeren ringförmigen Verwirbler, der hohle Schaufeln mit mit einer Kraftstoffverteilerleitung in dem Mantelgehäuse in Fluidverbindung stehenden innen liegenden Hohlräumen aufweisen können und/oder der Injektion eines zweiten Kraftstoffs in den Mischkanal über mehrere Auslassöffnungen in einer Zentralkörperwand, die in Fluidverbindung mit einem zweiten Kraftstoffplenum stehen. Bei derartigen Einrichtungen strömt Hochdruckluft von einem Verdichter in den Mischkanal durch die Verwirbler derart ein, dass ein intensiver Scherbereich ausgebildet und Kraftstoff von den außen liegenden Verwirblerschaufelkanälen und/oder den Auslassöffnungen des Mittelkörpers in einer Querstrahlströmung injiziert wird, so dass die Hochdruckluft und der Kraftstoff miteinander vermischt werden bevor ein Kraftstoff/Luftgemisch aus dem strömungsabwärtigen Ende des Mischkanals in die Brennkammer abgegeben und gezündet wird. Ohne darauf beschränkt zu sein, ist der bevorzugte Brennstoff zur Verwendung in Brennkammern mit magerer Vormischung Erdgas.
Außer für Brennkammern, die in der Lage sind, das Emissionsniveau von durch Vorschriften geregelten Schadstoffen weiter zu reduzieren sind Brennkammertechnologien mit magerer Vormischung, sogenannte Lean-Premixed Brennkammertechnologien mit einer Anpassungsfähigkeit an verschiedene Brenn stoffe, d. h. mit Brennstoff-Vielseitigkeit von zunehmender Bedeutung. Mit zunehmendem Energiebedarf und mit steigenden Erdgaspreisen in der ganzen Welt, sind die Betreiber von energieerzeugenden Anlagen weiterhin auf der Suche nach alternativen Brennstoffen, insbesonderen solchen, die aus im Überfluss vorhandenen und billigen natürlichen Quellen, wie etwa Kohle gewonnen werden. Als Beispiel sei, ohne darauf beschränkt zu sein, das gegenwärtige Interesse an Integrated Classification Combined-Cycle Technologien (IGCC) mit neuen Verbrennungssystemen erwähnt, in denen gezeigt wird, dass reine, effiziente und preiswerte, auf Kohle basierte Energieerzeugungssysteme höhere Wirkungsgradniveaus erreichen während sie gleichzeitig Abgase abgeben, die den gegenwärtigen Emissionsniveaus behördlich überwachter Schadstoffe entsprechen oder diese übertreffen. Eines der vorteilhaften Merkmale von IGCC-Einheiten ist die Verbrennung von Synthesebrenngasen (auch als Syngas bezeichnet), das sind kohlenmonoxid- und wasserstoffreiche Gase, die aus einem Vergasungsprozess von Kohle oder anderen Materialien gewonnen wurden. Ungeachtet dessen, sind in Anbetracht der großen anfänglichen Kapitalkosten bestehender Anlagen und des Bedürfnisses eine Flexibilität zu erhalten, Brennkammern mit magerer Vormischung, die in der Lage sind Erdgas, Syngas oder Gemische von beiden Gasen zu verbrennen wünschenswert. Gebräuchliche Brennkammern, die aber zur Verbrennung von Erdgas oder irgendeinem anderen Brennstoff mit hohem Energiegehalt ausgelegt sind, sind nicht in der Lage, Syngas oder irgendeinen anderen Brennstoff mit niedrigem Energiegehalt zu verbrennen, während sie gleichzeitig das gleiche Niveau des Betriebsverhaltens und der Schadstoffbildung halten, was durch die beträchtlichen Veränderungen bedingt ist, die bei geometrischen Parametern und bei Betriebsparametern erforderlich sind, wie etwa, ohne darauf be schränkt zu sein, die Brennstoff/Luftäquivalenzverhältnisse für eine gegebene Flammentemperatur wie auch der Gesamtdruckabfall, die Brennstoffinjektionsgeschwindigkeit und die Machzahl des Brennstoffsstroms für eine gegebene wirksame Gesamtbrennstoffströmungsfläche.
Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach einem Brennstoff/Luftmischer zur Verwendung bei Brennkammern mit magerer Vormischung, der ausreichend flexibel ist, um einen Brennstoff mit hohem Energiegehalt und/oder einen Brennstoff mit niedrigem Energiegehalt zu verbrennen, wobei gleichzeitig das gegenwärtige Niveau des Betriebsverhaltens sowohl hinsichtlich der Energieabgabe, des Gesamtwirkungsgrades, der Funktionsfähigkeit als auch der Schadstoffbildung eingehalten oder übertroffen wird. Ein solches Bestreben ist ein positiver Schritt bei der Entwicklung von Gasturbinenbrennkammern zu dem Ziel, die Energieproduktion schlussendlich auf eine wasserstoffbasierte Wirtschaft umzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Einem oder mehreren der oben zusammengefassten Bedürfnisse oder anderen, an sich bekannten Bedürfnissen wird durch Brennstoff/Luftmischer genügt, die aufweisen: Ein Mantelgehäuse, einen Zentralkörper; einen inneren Verwirbler, der rings um eine Außenfläche des Zentralkörpers herum angeordnet ist; ein Brennstoffplenum mit einem Ringraum, der durch ein inneres und ein äußeres Gehäuse ausgebildet ist, die sich unter Ausbildung eines zwischen liegenden Spaltes axial erstrecken, wenigstens einen Brennstoffeinlass und einen Brennstoffplenumverwirbler, der in dem zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse ausgebildeten Spalt bei einem strö mungsabwärtigen Teil des Brennstoffplenums angeordnet ist, wobei das innere Gehäuse rings um den inneren Verwirbler angeordnet ist; einen äußeren Verwirbler, der rings um das äußere Gehäuse des Brennstoffplenums angeordnet ist, wobei der innere und der äußere Verwirbler so ausgelegt sind, dass sie eine voneinander unabhängige Rotation (Drall) eines ersten bzw. eines zweiten Anteils eines in das ringförmige Gehäuse eintretenden ersten Oxidationsmittelstroms ermöglichen; und ein Brennstoffgehäuse, das in radialer Richtung außerhalb des zweiten Verwirblers und in Umfangsrichtung rings um das Ringgehäuse angeordnet ist, wobei das Brennstoffgehäuse in Fluidverbindung mit dem äußeren Verwirbler steht.
Unter einem anderen Aspekt der erläuterten Erfindung sind Gasturbinen beschrieben, die einen Verdichter, eine Brennkammer zur Verbrennung eines vorgemischten Gemisches von Brennstoff und Luft in Strömungsverbindung mit dem Verdichter und eine stromabwärts von der Brennkammer angeordnete Turbine zur Expansion des aus der Brennkammer austretenden Hochtemperaturgasstroms aufweist. Die Brennkammern derartiger Turbinen haben Brennstoff/Luftmischer, die aufweisen: Ein Mantelgehäuse, einen Zentralkörper; einen inneren Verwirbler, der rings um eine Außenfläche des Zentralkörpers herum angeordnet ist; ein Brennstoffplenum mit einem Ringraum, der durch ein inneres und ein äußeres Gehäuse ausgebildet ist, die sich unter Ausbildung eines zwischen liegenden Spaltes axial erstrecken, wenigstens einen Brennstoffeinlass und einen Brennstoffplenumverwirbler, der in dem zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse ausgebildeten Spalt bei einem strömungsabwärtigen Teil des Brennstoffplenums angeordnet ist, wobei das innere Gehäuse rings um den inneren Verwirbler angeordnet ist; einen äußeren Verwirbler, der rings um das äußere Gehäuse des Brennstoffplenums angeordnet ist, wobei der innere und der äußere Verwirbler so ausgelegt sind, dass sie eine voneinander unabhängige Rotation (Drall) eines ersten bzw. eines zweiten Anteils eines in das ringförmige Gehäuse eintretenden ersten Oxidationsmittelstroms ermöglichen; und ein Brennstoffgehäuse, das in radialer Richtung außerhalb des zweiten Verwirblers und in Umfangsrichtung rings um das Ringgehäuse angeordnet ist, wobei das Brennstoffgehäuse in Fluidverbindung mit dem äußeren Verwirbler steht.
Unter einem anderen Aspekt der beschriebenen Erfindung sind Gas-zu-Flüssigkeit-Systeme beschrieben, die aufweisen: eine Lufttrenneinheit, die dazu ausgelegt ist, Sauerstoff von Luft zu trennen, eine Gasverarbeitungseinheit zur Erzeugung von Erdgas, eine Brennkammer zur Reaktion von Sauerstoff mit dem Erdgas bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zur Erzeugung eines mit Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas angereicherten Synthesegases, einen Turboexpander in Strömungsverbindung mit der Brennkammer zur Gewinnung von Arbeit aus dem Synthesegas und zum Quenchen desselben. Die Brennkammer eines solchen Gas-zu-Flüssigkeits-Systems beinhaltet: Brennstoff/Luftmischer mit einem ringförmigen Gehäuse, einen Zentralkörper, einen inneren Verwirbler, der rings um eine Außenfläche des Zentralkörpers herum angeordnet ist; ein Brennstoffplenum mit einem Ringraum, der durch ein inneres und ein äußeres Gehäuse ausgebildet ist, die sich unter Ausbildung eines zwischen liegenden Spaltes axial erstrecken, wenigstens einen Brennstoffeinlass und einen Brennstoffplenumverwirbler, der in dem zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse ausgebildeten Spalt bei einem strömungsabwärtigen Teil des Brennstoffplenums angeordnet ist, wobei das innere Gehäuse rings um den inneren Verwirbler angeordnet ist; einen äußeren Verwirbler, der rings um das äußere Gehäuse des Brennstoffplenums angeordnet ist, wobei der innere und der äußere Verwirbler so ausgelegt sind, dass sie eine voneinander unabhängige Rotation (Drall) eines ersten bzw. eines zweiten Anteils eines in das ringförmige Gehäuse eintretenden ersten Oxidationsmittelstroms ermöglichen; und ein Brennstoffgehäuse, das in radialer Richtung außerhalb des zweiten Verwirblers und in Umfangsrichtung rings um das Ringgehäuse angeordnet ist, wobei das Brennstoffgehäuse in Fluidverbindung mit dem äußeren Verwirbler steht.
Verfahren zum Vormischen eines Brennstoffs mit hohem Energiegehalt oder eines Brennstoffs mit niedrigem Energiegehalt und eines Oxidationsmittels in einem Verbrennungssystem liegen auch im Rahmen der Ausführungsformen der beschriebenen Erfindung, wobei diese Verfahren die folgenden Schritte beinhalten: Einsaugen eines ersten Oxidationsmittelstromes in ein ringförmiges Gehäuses eines Brennstoff/Luftmischers, Verwirbeln eines ersten Anteils des ersten Oxidationsmittelstromes in einem äußeren Verwirbler in einer ersten Richtung; Verwirbeln eines zweiten Anteils des ersten Oxidationsmittelstroms in einem inneren Verwirbler in einer zweiten Richtung; und Injizieren des Brennstoffs hohen Energiegehalts in den Brennstoff/Luftmischer von einem Brennstoffgehäuse aus, das in Strömungsverbindung mit Brennstoffeinlassöffnungen in dem äußeren Verwirbler steht oder injizieren des Brennstoffs niedrigen Energiegehalts in den Brenn stoff/Luftmischer aus einem Brennstoffplenum, wobei das Brennstoffplenum einen durch ein inneres und ein äußeres Gehäuse ausgebildeten Ringraum aufweist, der sich unter Ausbildung eines zwischen liegenden Spaltes axial erstreckt, wobei wenigstens ein Brennstoffeinlass bei einem stromaufwärtigen Teil des Brennstoffplenums angeordnet ist und ein Brennstoffplenumsverwirbler in dem zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse ausgebildeten Spalt bei einem stromabwärtigen Teil des Brennstoffplenums ausgebildet ist und wobei das innere Gehäuse des Brennstoffplenums rings um einen äußeren, sich rings um den Umfang erstreckenden Endteils des inneren Verwirblers angeordnet ist.
Die vorstehende kurze Beschreibung erläutert Merkmale der vorliegenden Erfindung, die zum besseren Verständnis der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung dienen und es erlauben, den vorliegenden Beitrag zu dem einschlägigen technischen Gegenstand besser zu würdigen. Es gibt naturgemäß noch andere Merkmale der Erfindung, die im Nachfolgenden beschrieben sind und die für den Gegenstand der beigefügten Patentansprüche von Bedeutung sind.
In diesem Zusammenhang, vor der detaillierten Erläuterung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung bei ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und der Anordnungen der Komponenten, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung erläutert oder in der Zeichnung dargestellt sind, beschränkt ist. Die Erfindung ermöglicht auch andere Ausführungsformen und kann in verschiedener Weise in die Praxis umgesetzt und ausgeführt werden. Darauf hinzuweisen ist auch, dass die hier verwendete Phraseologie und Terminologie lediglich zu Beschreibungszwecken dient und nicht beschränkend zu verstehen ist.
Für den Fachmann versteht sich auch, dass das Konzept auf dem die Beschreibung beruht in einfacher Weise als Basis zum Entwurf anderer Strukturen, Verfahren und Systeme zur Ausführung der verschiedenen Gedanken der vorliegenden Erfindung einfach verwenden kann. Es ist deshalb wichtig, die Patentansprüche so zu verstehen, dass sie derartige äquivalente Konstruktionen, die den Rahmen und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht verlassen mit umfassen.
Der Zweck der vorstehenden Zusammenfassung ist es auch das US Patent- und Markenamt und allgemein die Öffentlichkeit und besonders die Wissenschaftler, Ingenieure und Praktiker auf dem einschlägigen Gebiet, die der Patente und juristische Ausdrücke betreffenden mit Phraseologie nicht so vertraut sind in den Stand zu versetzen, die Natur und das Wesen der technischen Beschreibung der Patentanmeldung rasch anhand von einer kurzen Durchsicht zu bestimmen. Demgemäß ist diese Zusammenfassung weder dazu bestimmt die Erfindung oder den Gegenstand der Anmeldung, die lediglich durch die Patentansprüche festgelegt sind, zu bestimmen, noch soll sie den Schutzbereich der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Ein besseres Verständnis der Erfindung und der vielen von dieser erzielten Vorteile ergibt sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung in der:
1 Eine schematische Schnittdarstellung einer Gasturbine mit einer Brennkammer mit einem Luft-Brennstoffmischer gemäß Aspekten der vorliegenden Technik veranschaulicht;
2 einen beispielhaften Aufbau einer Rohrbrennkammer, die bei einer Gasturbine nach 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet ist, veranschaulicht;
3 einen weiteren beispielhaften Aufbau einer Ringbrennkammer veranschaulicht, die bei der Gasturbine nach 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Technik verwendet ist;
4 eine teilweise perspektivische Darstellung einer weiteren exemplarischen Ringbrennkammer niedriger Emissionen mit einem Brennstoff-Luftmischer, gemäß Aspekten der vorliegenden Technik veranschaulicht;
5 eine perspektivische Ansicht des Brennstoff/Luftmischers nach 4 zeigt;
6 eine Draufsicht auf dem Brennstoff/Luftmischer nach 4 bei Betrachtung durch einen stromabwärts stehenden, stromaufwärts blickenden Beobachter veranschaulicht;
7 eine Ansicht von unten des Brennstoff/Luftmischers nach 4 für einen stromaufwärts stehenden, stromabwärts blickenden Beobachter veranschaulicht;
8 eine teilweise perspektivische Ansicht eines anderen Brennstoff/Luftmischers gemäß Aspekten der vorliegenden Technik zeigt;
9 eine teilweise perspektivische Ansicht eines weiteren Brennstoff/Luftmischers gemäß Aspekten der vorliegenden Technik zeigt;
10 eine perspektivische Ansicht des Radialverwirblers des Brennstoff/Luftmischers nach 9 veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bezugnehmend nun auf die Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen in allen verschiedenen Ansichten jeweils gleiche oder einander entsprechende Teile bezeichnen, werden nun verschiedene Ausführungsformen der hier geoffenbarten Brennstoff/Luftmischvorrichtungen beschrieben. Für die nachfolgenden Erläuterungen werden beispielhafte Ausführungsformen der erläuterten Brennstoff/Luftmischer bei der Verwendung in einer Gasturbine benutzt. Unabhängig davon versteht es sich für den Fachmann jedoch, dass die gleichen Brennstoff/Luftmischer auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen die Verbrennung, vorzugsweise durch Vormischung eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels geregelt ist.
1 veranschaulicht eine Gasturbine 10 mit einem Verdichter 14, der im Betrieb Hochdruckluft in eine Brennkammer 12 geringer Emissionen einspeist. Anschließend an die Verbrennung von in die Brennkammer 12 injiziertem Brennstoff mit Luft (oder einem anderen Oxidationsmittel) treten Hochtemperatur-Verbrennungsgase unter hohem Druck aus der Brennkammer 12 aus und expandieren über eine Turbine 16, die den Verdichter 14 über eine Welle 18 antreibt. Wie für den Fachmann selbstverständlich, betrifft eine hier erfolgende Bezugnahme auf Luft oder einem Luftstrom auch jedes andere Oxidationsmittel, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, reinen Sauerstoff oder einen verunreinigten Luftstrom mit einem volumetrischen Sauerstoffgehalt von weniger als 21% (z. B. 10%). Bei einer Ausführungsform weist die Brennkammer 12 eine Rohrbrennkammer auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Brennkammer 12 eine Rohr-Ringbrennkammer oder eine reine Ringbrennkammer auf. Abhängig von der jeweiligen Anwendung können die Verbrennungsgase in einer (nicht dargestellten) Düse weiter expandiert werden, um Schub zu erzeugen oder die Gasturbine 10 kann eine (nicht dargestellte) zusätzliche Turbine aufweisen, um zusätzliche Energie zum Antrieb einer äußeren Belastung aus den Verbrennungsgasen zu entziehen. Wie in 1 dargestellt, weist die Brennkammer 12 ein Brennkammergehäuse 20 auf, das einen Verbrennungsbereich begrenzt. Zusätzlich weist die Brennkammer 12, wie im Weiteren erläutert und in den 2 bis 5 dargestellt, einen Brennstoff-Luftmischer zum Vermischen verdichteter Luft und Brennstoff vor der Verbrennung in dem Verbrennungsbereich auf.
2 veranschaulicht einen exemplarischen Aufbau einer in der Gasturbine 10 nach 1 verwendeten Brennkammer 22 mit niedrigen Emissionen. Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Brennkammer 22 eine Rohrbrennkammer mit einem einzigen Brennstoff/Luftmischer auf, für den Fachmann versteht sich aber, dass, abhängig von der jeweiligen Anwendung und dem angestrebten Ausstoß, auch mehrere Mischer in einem vorgegebenen Brennkammerrohr verwendet werden können. Die Brennkammer 22 weist ein Brennkammergehäuse 24 und ein Brennkammerflammrohr 26 auf, das in dem Brennkammergehäuse 24 angeordnet ist. Die Brennkammer 22 verfügt außerdem über eine Domplatte 28 und ein Hitzeschild 30, die so ausgelegt sind, dass sie die Temperatur der Brennkammerwände reduzieren. Darüberhinaus weist die Brennkammer 22 einen Brenn stoff/Luftmischer 32 zum Vormischen des Oxidationsmittels und des Brennstoffs vor der Verbrennung auf. Bei einer Ausführungsform können die Brennstoff/Luftmischer 32 so angeordnet sein, dass sie bei Anwendungen, die Brennstoffe wie etwa Wasserstoff verwenden, eine stufenweise Brennstoffeinleitung in die Brennkammer 22 ergeben. Im Betrieb empfängt der Brennstoff/Luftmischer 32 einen Luftstrom 34, der mit dem von einem Brennstoffplenum in den Brennstoff/Luftmischer 32 eingeführtem Brennstoff vermischt wird. Anschließend wird das Luft/Brennstoffgemisch in einer Flamme 36 in der Brennkammer 22 verbrannt. In dem Gehäuse 24 können auch, wie dargestellt, Verdünnungs- oder Kühllöcher 38 vorgesehen sein.
3 veranschaulicht einen anderen beispielhaften Aufbau einer bei der Gasturbine 10 der 1 eingesetzten Brennkammer 40 geringer Emissionen. Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Brennkammer 40 eine Ringbrennkammer mit einem einzigen Brennstoff/Luftmischer auf, für den Fachmann versteht sich aber, dass, abhängig von der jeweiligen Anwendungen und dem angestrebten Ausstoß, auch mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Mischer bei einer gegebenen Ringbrennkammer vorgesehen sein können. Wie dargestellt, begrenzen ein inneres Gehäuse 42 und ein äußeres Gehäuse 44 den Verbrennungsbereich in der Brennkammer 40. Außerdem weist die Brennkammer 40 typischerweise ein inneres und ein äußeres Brennkammerflammrohr 46 bzw. 48 und einen Dom 50 auf. Darüber hinaus beinhaltet die Brennkammer 40 ein inneres und ein äußeres Hitzeschild 52 bzw. 54, die anschließend an das innere bzw. das äußere Brennkammerflammrohr 46, 48 angeordnet sind und einen Diffusorabschnitt 56 zum Einleiten eines Luftstroms 58 in den Verbrennungsbereich. Die Brennkammer 40 weist außerdem einen Brennstoff/Luftmischer 60 auf, der stromaufwärts von dem Verbrennungsbereich angeordnet ist. Im Betrieb empfängt der Brennstoff/Luftmischer 60 Brennstoff von einem Brennstoffplenum über Brennstoffleitungen 62, 64. Der Brennstoff aus den Brennstoffleitungen 62, 64 wird sodann mit dem eintretenden Luftstrom 58 vermischt, und ein Brennstoff/Luftgemisch wird der Flamme 66 zur Verbrennung zugeleitet.
4 veranschaulicht eine teilweise Querschnittsdarstellung einer weiteren beispielhaften Ringbrennkammer 70 niedriger Emissionen mit einem Brennstoff/Luftmischer 72 gemäß Aspekten der vorliegende Technik. Zu bemerken ist, dass die Ringbrennkammer 70 eine dauernd brennende Verbrennungseinrichtung der Art ist wie sie in der Gasturbine 10 verwendet werden kann und einen hohlen Körper 74 aufweist, der in sich eine Brennkammer 76 begrenzt. Der hohle Körper 74 weist eine im Wesentlichen ringförmige Gestalt auf, und verfügt über das äußere Flammrohr 48, das innere Flammrohr 46 und das domförmige Ende oder den Dom 50. Wie dargestellt, ist das domförmige Ende 50 des hohlen Körpers 74 mit dem Brennstoff/Luftmischer 72 so verbunden, dass die anschließende Einleitung des Brennstoff/Luftgemisches aus dem Brennstoff/Luftmischer 72 in die Brennkammer 76 unter minimaler Bildung von Schadstoffen, hervorgerufen durch die Zündung und die Verbrennung des resultierenden Gemisches, erfolgt. Abgesehen von den hier beschriebenen Abwandlungen weisen die Brennstoff/Luftmischer 72 allgemein die Gestalt der Mischer nach den US Patentschriften Nr. 5,351,477 , 5,251,447 und 5,165,241 der Anmelderin der vorliegenden Erfindung auf, deren Inhalt insgesamt hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
Wie dargestellt, weist der Brennstoff/Luftmischer 72 einen inneren Verwirbler 80 und einen äußeren Verwirbler 82 auf. Der innere und der äußere Verwirbler (swirler) 80 bzw. 82 sind vorzugsweise gegensinnig umlaufend. Darauf hinzuweisen ist, dass es unerheblich ist, in welcher Drehrichtung der innere Verwirbler 80 oder der äußere Verwirbler 82 die durchströmende Luft rotieren lässt, so lange eben die Drehrichtung des einen Verwirbler jener des anderen entgegengesetzt ist. Der innere und der äußere Verwirbler 80 bzw. 82 sind vorzugsweise axial, sie können aber auch radial sein oder eine Kombination von axial und radial darstellen. Darauf hinzuweisen ist, dass der innere und der äußere Verwirbler 80 bzw. 82 Schaufeln aufweisen, die unter einem Winkel angeordnet sind, der zwischen 40° bis etwa 60° zu einer Axialachse A der Brennkammer variiert. Außerdem kann das Verhältnis der Masse der durch den inneren Verwirbler 80 strömenden Luft zu jener der durch den äußeren Verwirbler 82 strömenden Luft konstruktionsmäßig so abgestimmt sein, dass es vorzugsweise etwa gleich ein Drittel ist.
Der Brennstoff/Luftmischer 72 weist außerdem ein Brennstoffgehäuse 86 mit einem Brennstoffeinlass 88 auf, wobei das Brennstoffgehäuse 86 den Mischer an dessen strömungsaufwärtsseitigem Ende umfangsmäßig umgibt und ein ringförmiges Gehäuse 90 stromabwärts des Brennstoffgehäuses 86 angeordnet ist. Das Brennstoffgehäuse 86 kann mit den Schaufeln des äußeren Verwirblers 82 in Fluidverbindung stehen und von diesen injizierter Brennstoff kann in an sich bekannter Weise durch eine zweckentsprechende Brennstoffzufuhr und einen zweckentsprechenden Steuermechanismus zugemessen werden. Für sich betrachtet, weisen die Schaufeln des äußeren Verwirblers 82 vorzugsweise eine hohle Konstruktion, mit innen liegenden Hohlräumen auf, die mit dem Brennstoffgehäuse 86 und mit Brennstoffkanälen verbunden sind, um den Brennstoff von dem Brennstoffgehäuse 86 in das Ringgehäuse 90 durch Brennstoffeinlasskanäle 112 (dargestellt in 5) zu injizieren. Wie an sich bekannt und gebräuchlich, können, wenngleich in den Figuren nicht dargestellt, die Brennstoffkanäle in dem Brennstoffgehäuse 86 in Fluidverbindung mit den Schaufeln des inneren Verwirblers 80 ausgebildet sein. Gemäß der Technik der vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffgehäuse 86 dazu ausgelegt, einen Brennstoff mit hohem Energiegehalt in den Brennstoff/Luftmischer 72 zu injizieren. Ein Brennstoff mit hohem Energiegehalt, wie er hier erwähnt ist, ist ein Brennstoff mit einem unteren Heizwert zwischen 30 und 120 MJ/kg. Zu Beispielen solcher Brennstoffe gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Erdgas und Wasserstoff.
Wie außerdem in 4 dargestellt, trennt ein Plenum 84 eines Brennstoffs mit niedrigem Energiegehalt den inneren und den äußeren Verwirbler 80 bzw. 82 voneinander, was dem inneren und dem äußeren Verwirbler 80 bzw. 82 eine jeweils eigene Ringform ermöglicht und es erlaubt, dass jeder die in ihn eintretende Luft getrennt für sich in Rotation versetzt. Das Plenum 84 des Brennstoffs niedriger Energie beinhaltet zwei konzentrische röhrförmige Teile 94, 96, die einen Ringbereich mit einem dazwischen liegenden Spalt 98 ausbilden. Am strömungsaufwärtigen Ende 100 des Brennstoffplenums 84 ist ein Brennstoffeinlass 102 vorgesehen. In das Brennstoffplenum 84 eingeführter Brennstoff wird schließlich in den Brennstoff/Luftmischer 72 über einen dritten Verwirbler 104 injiziert, der an dem strömungsabwärtige Ende 106 des Brennstoffplenums 84 angeordnet ist. Der dritte Verwirbler 104 ist, wie dargestellt, im Wesentlichen koplanar zu dem inneren und dem äußeren Verwirbler 80 bzw. 82. Der Brennstoff/Luftmischer 72 weist außerdem einen Zentralkörper 108 auf, der in Gestalt eines geraden Zylinderabschnitts oder vorzugsweise eines im Wesentlichen gleichmäßig von seinem strömungsaufwärtigen Ende zu seinem strömungsabwärtigen Ende konvergierenden Abschnitts ausgebildet ist. Der Zentralkörper 108 ist vorzugsweise so bemessen, dass er vor einem strömungsabwärtigen Ende 110 des Ringgehäuses 90 endet.
Die 5 bis 7 sind weitere Veranschaulichungen des Brennstoff/Luftmischers 72 der 4. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die die Brennstoffinjektionsöffnungen 112 zur Einleitung des Brennstoffs hohen Energiegehalts in den Brennstoff/Luftmischer 72 besser darstellt. 5 zeigt außerdem eine Ausführungsform des Brennstoffeinlasses 102 zur Einführung des Brennstoffes niedrigen Energiegehalts in das Brennstoffplenum 84. Bei anderen Ausführungsformen kann das Brennstoffplenum 84 eine Anzahl Brennstoffeinlässe 112 aufweisen, die rings um das Brennstoffplenum 84 so angeordnet sind, dass sich ein gleichmäßiger Brennstoffinjektionsvorgang in den Brennstoff/Luftmischer 72 ergibt oder aber es kann ein getrenntes konisches Brennstoffplenum für den Niedrigenergiebrennstoff vorgesehen sein. Ein Brennstoff niedrigen Energiegehalts, wie er hier erwähnt ist, ist ein Brennstoff mit einem unteren Heizwert, der kleiner ist als 30 MJ/kg. Zu Beispielen solcher Brennstoffe gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, 60/40 oder 50/50 Gemische von H₂ und N₂ und Synthesegas. Die 6 und 7 sind Draufsichten von oben (für einen strömungsabwärts positionierten und strömungsaufwärts blickenden Betrachter) und von unten (für einen strömungsaufwärts positionierten und strömungsabwärts blickenden Betrachter) des Brennstoff/Luftmischers 72 der 4, die die jeweilige relative Position des äußeren Verwirblers 82, des dritten Verwirblers 104 (6), des inneren Verwirblers 80, des strömungsaufwärtigen Endes 100 des Brennstoffplenums 84 (7) und des Zentralkörpers 108 wiedergeben.
Die wirksamen Durchtrittsflächen der Einlasskanäle für den von dem Brennstoffgehäuse 86 durch die Schaufeln des inneren und/oder des äußeren Verwirblers 80 bzw. 82 injizierten Brennstoff hohen Energiegehalts und die wirksame Austrittsfläche des dritten Verwirblers 104 zur Injektion des Brennstoffs niedrigen Energiegehalts aus dem Brennstoffplenum 84 sind so gewählt, dass sie einen Betrieb des Brennstoff/Luftmischers ermöglichen, bei dem der bei dem Brennstoffinjektionsvorgang auftretende Gesamtdruckabfall, die Brennstoffinjektionsgeschwindigkeit und die Brennstoffsströmungs-Machzahl bei gegebenen Konstruktionsgrenzen für ein Brennstoff/Luft- und ein Äquivalenzverhältnis bei einer gegebenen Flammentemperatur minimiert werden, so dass der Brennstoff/Luftmischer 72 mit einem Brennstoff niedrigen Energiegehalts, einem Brennstoff hohen Energiegehalts und/oder einer Kombination von beiden betrieben werden kann. Außerdem ist darauf hinzuweisen, dass die Fähigkeit sowohl des inneren Verwirblers 80 als auch des äußeren Verwirblers 82 und des dritten Verwirblers 104 den Brennstoff hohen Energiegehalts und/oder den Brennstoff niederen Energiegehalts ordnungsgemäß zu vermischen eine Rückzündung oder Flammenhaltung in dem Brennstoff/Luftmischer 72 oder dem Ringgehäuse 90 minimiert und/oder eliminiert.
Ein Beispiel der Variation von Parametern des Brennstoff/Luftmischers für fünf verschiedene Arten von Brennstoff ist in der nachfolgenden Tabelle 1 veranschaulicht, die das Äquivalenzverhältnis, die Massenströmungsgeschwindigkeit, die wirksame Fläche, die prozentuale Zunahme der wirksamen Fläche und die Brennstoffinjektionsgeschwindigkeit und die Machzahl bei einem gegebenen Brennstoffdruckabfall und bei gegebener Flammentemperatur von 2500°F (1371°C) für fünf verschiedene Brennstoffe aufführt. Bei den in der Tabelle aufgeführten Ergebnissen ist die prozentuale Zunahme der wirksamen Fläche, z. B. von Erdgas definiert, weil die wirksamen Flächen von Erdgas und reinem Wasserstoff 0,015 bzw. 0,018 inch² sind, d. h. die prozentuale Zunahme der effektiven Fläche ist bei Erdgas 0 und bei Wasserstoff 17,8 (d. h. 17,8 = [((0,018 – 0,015)/0,015) × 100]). Darauf hinzuweisen ist, dass die prozentuale Zunahme der wirksamen Fläche von den in der Tabelle 1 aufgeführten Werten abweichen kann und zwar wegen der Möglichkeit, dass in dem Brennstoff außer N₂ auch andere Gase vorhanden sein können, wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, CO₂, Wasserdampf, CO, um lediglich einige zu benennen.
Wie in der Tabelle 1 veranschaulicht, muss, wenn der Brennstoff niedrigen Energiegehalts ein 60/40 oder 50/50 Gemisch von H₂ und N₂ ist, die wirksame Fläche des Brennstoffplenums 84 etwa 4,67 bzw. 7,13 mal größer sein als die effektive Fläche der Einlasskanäle des Brennstoffgehäuses 86 zur Injektion des Brennstoffs hohen Energiegehalts und zwar bei einer Flammentemperatur von 2500°F (1371°C). Bei Synthesegas muss die effektive Fläche des Brennstoffplenums 84 etwa 12 mal größer sein als die effektive Fläche der Einlasskanäle des Brennstoffgehäuses 86. Bei reinem H₂ muss die effektive Fläche der Einlasskanäle des Brennstoffgehäuses 86, etwa 1,78 mal größer sein als die gleiche Fläche bei Verwendung von Erdgas als Brennstoff hohen Energiegehalts. Bei H₂ enthaltenden Brennstoffen, einschließlich reinem Wasserstoff, variiert die Massenstromgeschwindigkeit des Wasserstoffs lediglich zwischen 0,012 und 0,015 lbm/s, was anzeigt, dass bei den betrachteten verschiedenen Brennstoffen (1) die Wasserstoffmassenstromgeschwindigkeit von der gleichen Größenordnung ist; (2) bei der Injektion von Wasserstoff allein der Druckabfall an den Brennstoffinjektionslöchern für alle Brennstoffe der gleichen Größenordnung liegt und (3) im Hinblick auf Brennstoffflexibilität mit akzeptablen Druckverlusten Wasserstoff und andere Gemische (N₂ oder N₂CO) separat injiziert und später in dem Brennstoff/Luftmischer mit Luft vermischt werden können.
Für eine Flammentemperatur in dem Bereich von 2000°F bis 3000°F (oder von 1093°C bis 1649°C) liegt der Bereich der effektiven Fläche des Brennstoffplenums 84 für den Brennstoff niedrigen Energiegehalts in Form des 60/40 oder 50/50 Gemisches von H₂ und N₂ etwa 4,2 bis 5,6 bzw. 6,43 bis 8,57 mal höher als die wirksame Fläche der Einlasskanäle des Brennstoffgehäuses 86 zur Injektion von Erdgas als Brennstoff hohen Energiegehalts. Für Synthesegas und den gleichen Bereich der Flammentemperatur sollte die wirksame Fläche des Brennstoffplenums 84 in dem Bereich von etwa 10,82 bis 14,43 mal größer sein als die wirksame Fläche der Einlasskanäle des Brennstoffgehäuses 86. Für reinen H₂ muss der Bereich der wirksamen Fläche der Einlasskanäle des Brennstoffgehäuses 86 etwa in dem Bereich von 1,6 bis 2,14 mal größer sein als die gleiche Fläche bei Verwendung von Erdgas als Brennstoff hohen Energiegehalts für Flammentemperaturen in dem speziellen Bereich.
Die Schwierigkeiten bei einem Betrieb mit Synthesegas hängen mit dem hohen Volumenstrom, der im Vergleich zu Erdgas für die gleiche Brennrate (Firing Rate) erforderlich ist, zusammen. Unter diesen Umständen muss die Brennstoff durchströmquerschnittsfläche, abhängig von der Synthesegaszusammensetzung 10–15 mal vergrößert werden. Außerdem ist die Wobbe-Zahl für Synthesegas deutlich niedriger als jene von Erdgas. Im Betrieb schert der Brennstoff/Luftmischer 72 durch die Verwendung des inneren und des äußeren, gegensinnig um laufenden Luftverwirblers 80 bzw. 82, den über den schraubenförmigen Verwirbler 104 eingeführten Brennstoff niedrigen Energiegehalts, etwa Synthesegas, wodurch eine ordnungsgemäße Vermischung mit durch den inneren und den äußeren Verwirbler strömender Luft erreicht wird, bevor das Brennstoff/Luft- gemisch in einer Wirbelbewegung in das Brennkammerplenum eingespeist wird.
Tabelle 1

Liste von Betriebsparametern und geometrischen Parametern des Brennstoff/Luftmischers 72 bei einem gegebenen Druckabfall bei der Brennstoffinjektion und einer Flammentemperatur von 2500°F (1371°C)

Brennstoff	Zusammensetzung	Volumen-Prozent	Massen-Prozent	ϕ @ T-Flamme	m_Dot-Br. (lb/sec)	A_effectiv for const. ∆P_Br.I (in²)	Zunahme in A_effectiv	U_Br. für konst. ΔP-Br. (ft/s)	Mach # für konst. ΔP-Br.
Erdgas	NatGas	100	100	0,477	0,029	0,015	-	653,259	0,4633605
Reiner Wasserstoff	H2	100	100	0,406	0,012	0,018	17,787	1885,838	0,4485317
60/40 H2/N2 Mischung	H2	60	9,677	0,473	0,141	0,085	466,559	759,915	0,4487939
60/40 H2/N2 Mischung	N2	40	90,323	0,473	0,141	0,085	466,559	759,915	0,4487939
50/50 H2/N2 Mischung	H2	50	6667	0,514	0,223	0,122	713,975	691,001	0,4488592
50/50 H2/N2 Mischung	N2	50	93,333	0,514	0,223	0,122	713,975	691,001	0,4488592
Synthesegas	CO	10	13,861	0,568	0,415	0,195	1202,525	595,542	0,4489847
	H2	30	2,970
	N2	60	83.168

90 bildende Wand eine oder mehreren Luftkanäle aufweisen kann, die in Fluidverbindung mit verdichteter Luft von außerhalb des Ringgehäuses 90 stehen um Luft in dem Ringgehäuse 90 strömen zu lassen, um so einer Grenzschicht von Luft und Brennstoff, die längs der inneren Oberfläche des Ringgehäuses 90 lokalisiert ist, Energie zuzuführen. Diese Luftströmungskanäle können unabhängig von der Art der Injektion des Brennstoffs in den Brennstoff/Luftmischer 72 oder der Art und Weise wie Brennstoff und Luft in diesem miteinander vermischt werden implementiert sein. Dies gilt deshalb, weil die über solche Luftkanäle eingespeiste Luft zur Energieversorgung der Grenzschicht längs der inneren ringförmigen Oberfläche des Ringgehäuses 90 und zur Erhöhung der nach vorne gerichteten Luftgeschwindigkeit in dem Ringgehäuse 90 wirksam ist. Außerdem hat die Luft die Wirkung der Verdünnung der Konzentration von in der Grenzschicht etwa vorhandenem Brennstoff und damit der Verringerung der Flammengeschwindigkeit in dieser, was alles dazu beiträgt die Möglichkeit einer Rückzündung in dem Ringgehäuse 90 zu verkleinern.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Technik, wie es in 8 dargestellt ist, kann der Zentralkörper 108 außerdem einen Ringkanal 113 für Brennstoff hohen Energiegehalts aufweisen, der in Fluidverbindung mit mehreren Öffnungen 114 steht, die ihrerseits mit dem inneren Verwirbler 80 in Fluidverbindung sind. Darauf hinzuweisen ist, dass das Vorsehen zusätzlicher Brennstoffeinlassöffnungen in dem Zentralkörper den Mischungsgrad in dem Brennstoff/Luftmischer 72 erhöht. Bei einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform sind die mehreren Öffnungen 114 vorzugsweise unmittelbar stromabwärts des inneren Verwirblers 80 angeordnet, und auch von innen kann Brennstoff in den Brenn stoff/Luftmischer 72 injiziert werden. Zu bemerken ist, dass wenn gasförmige und flüssige Brennstoffe in den Brennstoff/Luftmischer 72 injiziert werden, der gasförmige Brennstoff vorzugsweise durch die Kanäle und Öffnungen 112 der je weiligen Verwirblerschaufel injiziert wird, während der flüssige Brennstoff durch die Öffnungen injiziert wird, die in dem Zentralkörper 108 stromabwärts von dem inneren Verwirbler 80 angeordnet sind. Demgemäß kann ein Wechsel der Brennstoffart recht schnell dadurch vorgenommen werden, dass die Menge des durch die in dem Zentralkörper 108 angeordneten Öffnungen injizierten Brennstoffs erhöht wird, während in entsprechendem Maße die Menge des durch die Schaufeln injizierten Brennstoffs verringert wird. Bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform kann der Zentralkörper 108 vorzugsweise einen Kanal durch seine Spitze aufweisen, um Luft mit verhältnismäßig hoher Axialgeschwindigkeit in die Brennkammer 76 anschließend an den Zentralkörper 108 einzulassen, wobei diese spezielle Ausführungsform in der Lage ist das lokale Brennstoff/Luftverhältnis zu verringern und dazu beizutragen die Flamme stromabwärts von der Zentralkörperspitze wegzudrücken.
Einer weiteren Ausführungsform gemäß der erfindungsgemäßen Technik, wie sie in 9 dargestellt ist, weist der Brennstoff/Luftmischer 72 einen radialen Verwirbler 116 zwischen dem Brennstoffgehäuse 86 und dem Ringgehäuse 90 auf. Der entweder in den inneren oder den äußeren Verwirbler 80 bzw. 82 eingeführte Brennstoff kann die Tendenz haben sich zu der Oberfläche des Ringgehäuses 90 hin anzusammeln, wodurch ein Bereich mit einer hohen Brennstoffkonzentration am strömungsabwärtigen Ende des Ringgehäuses 90 erzeugt wird. Die erhöhte Brennstoffkonzentration nahe der Austrittsöffnung des Ringgehäuses 90 kann nicht nur die Gefahr einer Rückzün dung in das Ringgehäuse 90, sondern auch die Menge des in der Brennkammer 76 erzeugten NO_x erhöhen. Eines der vorteilhaften Merkmale des Radialverwirblers 116 liegt darin, dass durch ihn eingeführte Luft die Brennstoff/Luftvermischung nahe der Oberfläche des Ringgehäuses 90 verbessert, wodurch die Bereiche mit hoher Brennstoffkonzentration am Austritt aus dem Ringgehäuse 90 verringert und/oder eliminiert und damit die gesamte Menge des in der Brennkammer 76 gebildeten NO_x verringert werden. 10 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des Radialverwirblers 114.
Wie in 10 dargestellt, weist der Radialverwirbler 116 einen an seinem strömungsaufwärtigen Ende angeordneten ersten Ring 118 mit einer auf einer Außenfläche 122 angeordneten Anzahl Schaufeln 120 auf. Jede Schaufel 120 ist auf der Außenfläche 122 so angeordnet, dass sie sich in Umfangsrichtung um die Axialachse A des Brennstoff/Luftmischers 72 herum erstreckt, wobei ein erster Endteil oder die Hinterkante 124 jeder Schaufel 120 radial einwärts eines zweiten Endteils oder einer Vorderkante 125 jeder Schaufel 120 liegt, die nahe einem äußeren Rand 126 des ersten Ringes 118 positioniert ist. Wie dargestellt, weist der erste Ring 118 außerdem eine von einem Innenrand des ersten Ringes 118 axial vorragende ringförmige Lippe 128 auf. Eine weitere Komponente des Radialverwirblers 116 ist ein zweiter Ring 130, der von dem ersten Ring 118 axial entfernt so angeordnet ist, dass dazwischen ein sich sowohl in ein radialer als auch in axialer Richtung erstreckender Spalt ausgebildet ist. Wie dargestellt, erstreckt sich eine erste Fläche 132 des zweiten Ringes 130 radial nach innen, wobei sie mit der Außenfläche 122 des ersten Ringes 118 einen radial verlaufenden Spalt 134 begrenzt, in dem die mehreren Schaufeln 120 angeordnet sind.
Eine zweite Fläche 138 des zweiten Ringes 130 erstreckt sich axial in der Weise, dass sie einen axial verlaufenden Spalt 138 mit der ringförmigen Lippe 128 des ersten Ringes 118 begrenzt. Der zweite Ring 130 weist außerdem eine Hülse 140 auf, in der das Ringgehäuse 90 des Brennstoff/Luftmischers 72 beim Zusammenbau des Brennstoff/Luftmischers 72 angeordnet wird.
Die axiale Lage des Radialverwirblers 116 längs des Brennstoff/Luftmischers 72 bezüglich der Lage des inneren und des äußeren Verwirblers 80 bzw. 82 und/oder das Maß der radialen Rotation des aus dem Radialverwirbler 92 austretenden Luftstroms können auf der Basis des jeweils gewünschten Vermischungsgrades des Brennstoff/Luftgemischs an dem strömungsabwärtigen Ende 110 des Brennstoff/Luftmischers 72, insbesondere in dem der Wand des Ringgehäuses 90 zunächst liegenden Bereich bestimmt werden. Außerdem können die Geometrie und die Abmessungen des Radialverwirblers 116 abhängig von dem jeweils gewünschten Vormischwirkungsgrad und den jeweiligen Betriebsbedingungen, einschließlich von Faktoren, wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, Brennstoffdruck, Brennstofftemperatur, Temperatur der einströmenden Luft und Brennstoffinjektionsgeschwindigkeit gewählt/optimiert werden. Beispiele für Brennstoffe beinhalten Erdgas, Gas mit hohem Wasserstoffgehalt, Wasserstoff, Biogas, Kohlenmonoxid und Synthesegas. Es kann aber auch eine Vielzahl anderer Brennstoffe benutzt werden.
Für den Fachmann versteht sich, dass die vorteilhaften Merkmale der in den 4 bis 10 dargestellten Brennstoff/Luftmischer, abgesehen von den hier veranschaulichten Ausführungsformen, auch in alternativen Kombinationen eingesetzt werden können. Beispielsweise kann eine andere Ausführungsform des beschriebenen Brennstoff/Luftmischers im Rahmen der vorliegenden Erfindung den dritten Verwirbler, kombiniert mit dem Radialverwirbler ohne Brennstoffeinführung durch den Zentralkörper aufweisen. Außerdem ist darauf hinzuweisen, dass die beschriebenen Konstruktionen und deren Äquivalente, wie erläutert, im Betrieb für verschiedene Brennstoffarten eingesetzt werden können. So kann z. B. der Brennstoff hohen Energiegehalts entweder Erdgas und/oder reiner Wasserstoff sein, der durch die erläuterten Injektionskanäle für Brennstoff hohen Energiekanals injiziert wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Brennstoff/Luftmischer mit einer Mischung von H₂/N₂ oder Syngas (H₂/CO/N₂) betrieben werden, die über die erläuterten Injektionskanäle für Brennstoff niedrigen Energiegehalts zugeführt wird. Diese Brennstoff/-Luftmischer können auch zur Syngasverbrennung in einem teilweise vorgemischten Modus bis zu 100 Prozent Vormischung eingesetzt werden, wodurch im Vergleich zu den gegenwärtigen IGCC-Verbrennungssystemen eine Verbrennung mit niedrigem NO erzielt wird. Diese Mischer beinhalten Düsen, die dazu ausgelegt sind, von 100 Prozent H₂ bis zu Gemischen von H₂/N₂ und Dampf oder anderen Inertgasen, wie CO₂ _, zu verbrennen, wobei sie im Teilvormisch- oder im Vollvormisch-Modus mit Syngas arbeiten und keinerlei Dampfinjektion zur NO_x-Einregulierung erfordern.
Die im Vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen des Brennstoff/Luftmischer 72 sind insbesondere geeignet zur Verwendung bei kombinierten Kreisprozessen mit integrierter Vergasung oder IGCC, die Kreisprozesse mit einer Gasturbine sind, welche durch die Verbrennung eines Brennstoffes angetrieben sind, der aus der Vergasung eines Feststoff- Brennstoffes wie Kohle herrührt, wobei die Abgase der Gasturbine einem Wärmeaustausch mit Wasser/Dampf unterworfen werden, um überhitzten Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine zu erzeugen. Der Vergasungsanteil der IGCC-Anlage erzeugte ein reines Kohlengas durch Kombination von Kohle mit Sauerstoff in einer Vergasungseinrichtung zur Erzeugung des gasförmigen Brennstoffs, hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid oder Syngas. Ein Gasreinigungsprozess reinigt sodann das Syngas, das anschließend in der Brennkammer der Gasturbine zur Erzeu gung von Elektrizität eingesetzt wird. IGCC-Anlagen haben mit höherem Ausstoß typischerweise höhere Wirkungsgrade und niedrige Emissionen. Der höhere Ausstoß wird bei IGCC-Anlagen mit der Einleitung von Stickstoff, der aus einer Lufttrennanlage oder ASU (= Air Separation Unit) erhalten wurde, in die Brennkammer der Gasturbine erzielt, wodurch der Massenstrom durchssatz durch die Gasturbine erhöht und die Gesamtverbrennungstemperatur und die Sauerstoffkonzentration durch Verunreinigung der zur Verbrennung verwendeten Luft verringert werden. Der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ent sprechende Brennstoff/Luftmischer 72 ist zum Einsatz bei IGCC-Anlagen geeignet. Insbesondere kann der Brennstoff/Luftmischer 72 in der Gasturbinenbrennkammer eingesetzt werden, und bei Verbrennung von Syngas kann Stickstoff in den Radialverwirbler 116 eingeleitet werden, um so dazu beizutragen die hohe Brennstoffkonzentration nahe der Wandung zu verringern und die Brennstoff/Luftvermischungseigen-schaften zu verbessern. Dieser Radialverwirbler kann auch so benutzt werden, dass Stickstoff durchströmen und während der Verbrennung von reinem Wasserstoff sich in dem Mantelgehäuse mit Wasserstoff und Luft vermischen kann, wodurch wiederum lokalisierte Bereiche hoher Äquivalenzverhältnisse am Austritt des Brennstoff/Luftmischers vermieden werden.
Bei typischen IGCC-Gasturbinenbrennkammer werden Wasserstoff und Stickstoff zusammen durch die Brennstoffinjektionskanäle in den inneren und den äußeren Verwirbler 80 bzw. 82 eingeleitet. Bei einigen der beschriebenen Ausführungsformen wird, anstatt der Vermischung von Wasserstoff mit Stickstoff und der Einleitung des Gemisches durch die Brennstoffzufuhrkanäle, Wasserstoff den Brennstoffzuführkanälen zugeführt und Stickstoff entweder durch den Radialverwirbler injiziert oder mit der einströmenden Luft zugeführt, wodurch die Luft verunreinigt wird, um dadurch die Gesamtverfügbarkeit von Sauerstoff zu verringern und somit die NO_x-Werte im Vergleich zu gebräuchlichen Werten um bis zu 70% abzusenken. Bei einer der erfindungsgemäßen Ausführungsformen liegt der NO_x-Wert am Ausgang der Brennkammer bei 3 bis 5 ppm oder niedriger. Eine derartige Verbesserung des Betriebsverhaltens wird erzielt während gleichzeitig die verunreinigte Luft einen erhöhten Widerstand gegen Rückzündung und Flammenhaltung in dem Ringgehäuse 90 des Brennstoff/Luftmischers 72 ergibt. Davon abgesehen, versteht sich, dass wenngleich die im Vorstehenden zusammengefassten Vorteile bei IGCC-Anlagen auf der Hand liegen, die beschriebenen Brennstoff/Luftmischer auch dazu verwendet werden können gegenwärtig gebräuchliche Brennkammern von Energieerzeugungs-Gasturbinen aufzurüsten.
Die im Vorstehenden beschrieben Brennstoff/Luftmischer können auch in einem Gas-zu-Flüssigkeits-System eingesetzt werden, um die Vorvermischung von Sauerstoff und Erdgas vor der Reaktion in einer Brennkammer des Systems zu verbessern,. Typischerweise weist ein Gas-zu-Flüssigkeits-System eine Lufttrenneinheit, eine Gasverarbeitungseinheit und eine Brennkammer auf. Im Betreib trennt die Lufttrenneinheit Sauerstoff von Luft und die Gasverarbeitungseinheit bereitet Erdgas für die Umsetzung in der Brennkammer vor. Der Sauerstoff aus der Lufttrenneinheit und das Erdgas aus der Gasverarbeitungseinheit werden in die Brenn kammer eingeleitet, in der das Erdgas und der Sauerstoff bei einer erhöhten Temperatur und erhöhtem Druck miteinander zur Reaktion gebracht werden um ein Synthesegas zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform ist der Brennstoff/Luftmischer an die Brennkammer angekuppelt, um das Vorvermischen von Sauerstoff und Erdgas vor der Reaktion in der Brennkammer zu erleichtern. Außerdem erleichtert der Radialverwirbler 116 des Brennstoff/Luftmischers das Mitreißen von zuströmendem Erdgas, um damit die Vermischung des Erdgases mit Sauerstoff bei hohen Brennstoff/Sauerstoffäquivalenzverhältnissen (z. B. etwa 3,5 bis 4 und darüber hinaus) in der Weise zu ermöglichen, dass die Synthesegaserzeugungsausbeute maximiert wird, während die Verweilzeit minimiert wird. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann dem Sauerstoff oder dem Brennstoff Dampf beigemischt werden, um den Prozesswirkungsgrad zu verbessern.
Das Synthesegas wird sodann gequencht und in eine Fischer-Tropsch-Verarbeitungseinheit eingeleitet, in der das Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid durch Katalyse in langkettige flüssige Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden. Die flüssigen Kohlenwasserstoffe werden sodann umgesetzt und in einer Crack-Einheit in Produkte fraktioniert. Der Brennstoff/Luftmischer mit dem Radialverwirbler erzeugt vorteilhafterweise eine schnelle Vorvermischung des Erdgases mit Sauerstoff und eine recht kurze Verweilzeit in dem Gas-zu-Flüssigkeits-System.
Die verschiedene Aspekte des vorbeschriebenen Verfahrens sind bei unterschiedlichen Anwendungen von Nutzen, wie etwa bei Brennkammern, die in Gasturbinen und Heizvorrichtungen, wie Öfen eingesetzt sind. Außerdem verbessert die hier beschriebene Technik das Vorvermischen von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung, wodurch Emissionen wesentlich verringert und der Wirkungsgrad von Gasturbinen beträchtlich erhöht werden. Die Vormischtechnik kann für unterschiedliche Brennstoffe eingesetzt werden, wie etwa, ohne darauf be schränkt zu sein, gasförmige fossile Brennstoffe hoher und niedriger volumetrischer Heizwerte, einschließlich Erdgas, Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Biogas und Synthesegas. Demgemäß kann, wie bereits erläutert, der Brennstoff/Luftmischer in für verschiedene Brennstoffe geeigneten, d. h. der brennstoffflexiblen Brennkammern zu einem kombinierten Kreisprozess integrierten Vergasung (IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle) zur Verringerung der Schadstoffemissionen benutzt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen wird der Brennstoff/Luftmischer in Wasserstoffbrennkammern von Flugtriebwerken und Brennkammern anderer Gasturbinen für aeroderivative und Schwerlastkraftmaschinen eingesetzt. Außerdem kann der Brennstoff/Luftmischer dazu benutzt werden, die partielle Vermischung von Strömen, wie etwa Oxi-Brennstoff zu erleichtern, die bei kohlendioxidfreien Kreisprozessen und zur Abgasrezirkulation besonders zweckmäßig sind.
Die auf dem im Vorstehenden beschriebenen zusätzlichen Radialverwirbler basierende Vormischtechnik ermöglicht somit eine verbesserte Vormischung und Flammenstabilisierung in einer Brennkammer. Außerdem erlaubt die vorliegende Technik die Verringerung von Emissionen, insbesondere von NO_x- Emissionen aus solchen Brennkammern, wodurch der Betrieb der Gasturbine in einer umweltschonenden Weise ermöglicht wird. Bei bestimmten Ausführungsformen erleichtert die Technik die Minimierung des Druckabfalls über die jeweilige Brennkammer und zwar speziell bei Wasserstoffbrennkammern. Darüber hinaus ermöglicht es die durch den zusätzlichen Radialverwirbler erreichte verbesserte Vermischung ein besseres Zurückfahren, einen höheren Rückzündungswiderstand und eine höhere Flammenlöschgrenze bei den Brennkammern zu erzielen.
Bei den dargestellten Ausführungsformen erlaubt die bessere Vermischung von Brennstoff und Luft ein besseres Zurückfahren und gestattet den Betrieb mit Erdgas- und Luftgemischen mit einem Äquivalenzverhältnis, das so niedrig wie etwa 0,2 liegt. Außerdem wird die Flammenlöschgrenze im Vergleich zu bestehenden Systemen deutlich verbessert. Schließlich kann, wie im Vorstehenden schon beschrieben, dieses System mit verschiedenen Brennstoffen eingesetzt werden, wodurch sich eine verbesserte Brennstoffflexibilität ergibt. Der im Vorstehenden beschriebene Bereich wirksamer Flächen ermöglicht es, zum Beispiel, dass das System entweder Erdgas oder H₂ etwa als Brennstoff hohen Energiegehalts und/oder Synthesegas als einen Brennstoff niedrigen Energiegehalts benutzt. Die Brennstoffflexibilität eines solchen Systems lässt die Notwendigkeit zur Veränderungen der Hardware oder zu komplizierten Konstruktionen mit unterschiedlichen Brennstoffkanälen, die für unterschiedliche Brennstoffe erforderlich sind, entfallen. Wie im Vorstehenden beschrieben, können die erläuterten Brennstoff/Luftmischer mit verschiedenartigen Brennstoffen benutzt werden, wodurch sie eine Brennstoffflexibilität des Systems erzeugen. Darüber hinaus kann die beschriebene Technik bei vorhandenen Rohr- oder Rohr-Ring-Brennkammern eingesetzt werden, um Emissionen und irgendwelche dynamischen Schwingungen und Modulationen in den Brennkammern zu verringern. Schließlich kann die beschriebene Vorrichtung auch als Pilotvorrichtung bei vorhandenen Brennkammern eingesetzt werden.
Verfahren zum Vormischen eines Brennstoffes hohen Energiegehalts oder eines Brennstoffes niederen Energiegehalts mit einem Oxidationsmittel in einem Verbrennungssystem liegen auch im Rahmen der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, wobei diese Verfahren folgende Schritte beinhalten: Ansaugen eines ersten Oxidationsmittelstroms in einem Ringgehäuse eines Brennstoff/Luftmischers; Verwirbeln eines ersten Anteils des ersten Oxidationsmittelstroms in einem äußeren Verwirbler in einer ersten Richtung; Verwirbeln eines zweiten Anteils des ersten Oxidationsmittelstroms in einem inneren Verwirbler in einer zweiten Richtung, wobei die zweite Richtung der ersten Richtung entgegengesetzt ist; und Injizieren des Brennstoffes hohen Energiegehalts in den Brennstoff/Luftmischer aus einem Brennstoffgehäuse, das in Fluidverbindung mit Brennstoffeinlasskanälen in dem äußeren Verwirber steht, oder Injizieren des Brennstoffes niedrigen Energiegehalts in den Brennstoff/Luftmischer aus einem Brennstoffplenum, wobei das Brennstoffplenum einen durch ein inneres und ein äußeres, unter Ausbildung eines dazwischen liegenden Spaltes axial sich erstreckendes Gehäuse ausgebildeten Ringraum aufweist, wobei wenigstens ein Brennstoffeinlass an einem stromaufwärtigen Teil des Brennstoffplenums angeordnet ist und ein Brennstoffplenumverwirbler in dem zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse ausgebildeten Spalt an einem strömungsabwärtigen Teil des Brennstoffplenums angeordnet ist und das innere Gehäuse des Brennstoffplenums rings um einen äußeren, in Umfangsrichtung sich erstreckenden Endteil des inneren Verwirblers angeordnet ist.
Bei der vorstehenden Beschreibung ist zu beachten, dass davon ausgegangen wird, dass die optimalen Abmessungsverhältnisse der Teile der Erfindung, einschließlich Abänderungen, einschließlich Abänderungen in Größe, Gestalt, Funktion und Betriebsweise, Zusammenbau und Verwendung als für den Fachmann offensichtlich und nahe liegend betrachtet werden und dass deshalb alle solchen Verhältnisse, die den in den Zeichnungen dargestellten und in der Beschreibung beschriebnen Verhältnissen äquivalent sind durch den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche umfasst sind. Außerdem gilt, dass wenngleich die vorliegende Erfindung in ihren Einzelheiten und Besonderheiten in Verbindung mit dem was gegenwärtig als zweckmäßig betrachtet wird und in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und im Vorstehenden vollständig beschrieben worden ist, doch darauf hinzuweisen ist, dass viele Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von den hier erläuterten Prinzipien und Konzepten abzuweichen. Demgemäß ist der tatsächliche Schutzumfang der vorliegenden Erfindung lediglich durch die breiteste Auslegung der beigefügten Patentansprüche bestimmt, derart, dass diese alle solchen Abwandlungen und Äquivalente mit umfassen.

10: Gasturbine
14: Verdichter
12: Brennkammer mit niedriger Emission
16: Turbine
18: Welle
20: Brennkammer niedriger Emission
24: Brennkammergehäuse
26: Brennkammerflammrohr
28: Domplatte
30: Hitzeschild
32: Brennstoff/Luftmischer
34: Luftstrom
36: Flamme
38: Kühllöcher
40: Brennkammer niedriger Emission
42: Inneres Gehäuse
44: Äußeres Gehäuse
46 bzw. 48: Inneres und äußeres Brennkammerbrennrohr
50: Dom
52 bzw. 54: Inneres und äußeres Hitzeschild
56: Diffusorabschnitt
58: Luftstrom
60: Brennstoff/Luftmischer
62, 64: Brennstoffplenum über Brennstoffleitungen
66: Flamme
70: Ringbrennkammer niedriger Emission
72: Brennstoff/Luftmischer
74: Hohlkörper
76: Brennkammerraum
80: Innerer Verwirbler
82: Äußerer Verwirbler
86: Brennstoffgehäuse
88: Brennstoffeinlass
90: Ringförmiges Gehäuse
112: Brennstoffeinlasskanäle
94, 96: Zwei konzentrische rohrförmige Teile
98: Spalt
100: Strömungsaufwärtiges Ende
102: Brennstoffeinlass
104: Dritter Verwirbler
106: Strömungsabwärtiges Ende
108: Zentralkörper
110: Strömungsabwärtiges Ende
113: Ringkanal
114: mehrere Kanäle
116: Radialverwirbler
118: Erster Ring
120: Mehrere Schaufeln
122: Äußere Fläche
124: Hintere Kante
125: Vordere Kante
126: Äußerer Rand
128: Ringförmige Lippe
130: Zweiter Ring
132: Erste Fläche
134: Radialsich erstreckender Spalt
136: Zweite Fläche
138: Axial sich erstreckender Spalt
140: Hülse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5351477 [0029]
- US 5251447 [0029]
- US 5165241 [0029]

Claims

Ein Brennstoff/Luftmischer, der aufweist: Ein Ringgehäuse mit einer Axialachse, die sich in einer Axialrichtung erstreckt, mit einer Radialachse, die sich in einer Radialrichtung erstreckt und mit einem strömungsaufwärtigen und einem strömungsabwärtigen Endteil; einen Zentralkörper, der sich längs der Axialachse des Ringgehäuses erstreckt; einen inneren Verwirbler mit einem inneren, in Umfangsrichtung verlaufenden Endteil, der rings um eine äußere Oberfläche des Zentralkörpers angeordnet ist, wobei der innere Verwirbler an dem strömungsaufwärtigen Endteil des Ringgehäuses angeordnet ist; ein Brennstoffplenum mit einem Ringraum, der durch ein inneres und ein äußeres Gehäuse, die sich unter Ausbildung eines dazwischen liegenden Spaltes axial erstrecken, ausgebildet ist, einem Brennstoffeinlass und einem Brennstoffplenumverwirbler, der in dem zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse ausgebildeten Spalt an einem strömungsabwärtigen Teil des Brennstoffplenums angeordnet ist, wobei das innere Gehäuse in Umfangsrichtung rings um ein äußeres, in Umfangsrichtung sich erstreckendes Endteil des inneren Verwirblers angeordnet ist; einen äußeren Verwirbler mit einem inneren, in Umfangsrichtung sich erstreckenden Endteil, das rings um das äußere Gehäuse des Brennstoffplenums angeordnet ist, wobei der innere und der äußere Verwirbler so gestaltet sind, dass sie eine voneinander unabhängige Rotation eines ersten und eines zweiten Anteils eines ersten Oxidationsmittelstroms gestatten, der in das Ringgehäuse an dessen strömungsaufwärtigem Endteil eintritt; und ein Brennstoffgehäuse, das an dem strömungsaufwärtigen Endteil des Ringgehäuses in Radialrichtung außerhalb des zweiten Verwirblers und in Umfangsrichtung rings um das Ringgehäuse angeordnet ist, wobei das Brennstoffgehäuse in Fluidverbindung mit mehreren Brennstoffinjektionskanälen in dem äußeren Verwirbler steht.
Brennstoff/Luftmischer nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoff/Luftmischer dazu ausgelegt ist, Luft mit einem Brennstoff zu vermischen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus einem Brennstoff hohen Energiegehalts, einem Brennstoff niedrigen Energiegehalts und einer Kombination derselben besteht.
Brennstoff/Luftmischer nach Anspruch 2, bei dem das Brennstoffplenum dazu ausgelegt ist, den Brennstoff niedrigen Energiegehalts zur Injektion in den Brennstoffluftmischer durch den Brennstoffplenumverwirbler zu fördern.
Brennstoff/Luftmischer nach Anspruch 3, bei dem das Brennstoffgehäuse dazu eingerichtet ist, den Brennstoff hohen Energiegehalts zur Injektion in den Brennstoff/Luftmischer durch die mehreren Brennstoffinjektionskanäle in dem äußeren Verwirbler zu fördern.
Brennstoff/Luftmischer nach Anspruch 4, bei dem der Brennstoff niedrigen Energiegehalts ein 50/50 Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff oder der Brennstoff hohen Energiegehalts Erdgas ist und eine wirksame Fläche des Brennstoff plenumverwirblers in dem Bereich von etwa 6,43 bis etwa 8,57 mal größer als eine wirksame Fläche der mehreren Brennstoffinjektionskanäle in dem äußeren Verwirbler zur Injektion des Erdgases bei einer Flammentemperatur in dem Bereich von 2000°F bis 3000°F (oder von 1093°C zu 1649°C) ist.
Brennstoff/Luftmischer nach Anspruch 4, bei dem der Brennstoff niedrigen Energiegehalts ein 60/40 Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff oder der Brennstoff hohen Energiegehalts Erdgas ist und eine wirksame Fläche des Brennstoffplenumverwirblers in dem Bereich von etwa 4,2 bis etwa 5,6 mal größer als eine wirksame Fläche der mehreren Brennstoffinjektionskanäle in dem äußeren Verwirbler zur Injektion des Erdgases bei einer Flammentemperatur in dem Bereich von 2000°f bis 3000°F (oder von 1093°C bis 1649°C) ist.
Brennstoff/Luftmischer nach Anspruch 4, bei dem der Brennstoff niedrigen Energiegehalts Synthesegas oder der Brennstoff hohen Energiegehalts Erdgas ist und eine wirksame Fläche des Brennstoffplenumverwirblers in dem Bereich von etwa 10,82 bis etwa 14,43 mal größer als eine wirksame Fläche der mehreren Brennstoffinjektionskanäle in dem äußeren Verwirbler zur Injektion des Erdgases bei einer Flammentemperatur in dem Bereich von 2000°F bis 3000°F (oder von 1093°c bis 1649°C) ist.
Brennstoff/Luftmischer nach Anspruch 4, bei dem der Brennstoff hohen Energiegehalts reiner Wasserstoff ist und eine wirksame Fläche der mehreren Brennstoffinjektionskanäle in dem äußeren Verwirbler zur Injektion von reinem Wasserstoff in dem Bereich von 1.6 bis etwa 2,14 mal größer als die gleiche wirksame Fläche ist, wenn der Brennstoff hohen Energiegehalts Erdgas ist.
Verfahren zum Vormischen eines Brennstoffs hohen Energiegehalts oder eines Brennstoffs niedrigen Energiegehalts mit einem Oxidationsmittel in einem Verbrennungssystem, das beinhaltet: Einsaugen eines ersten Oxidationsmittelstroms in ein ringförmiges Gehäuses eines Brennstoff/Luftmischers durch einen Oxidationsmitteleinlass desselben; Verwirbeln eines ersten Anteils des ersten Oxidationsmittelstroms in einem äußeren Verwirbler in einer ersten Richtung; verwirbeln eines zweiten Anteils des ersten Oxidationsmittelstroms in einem inneren Verwirbler in einer zweiten Richtung, wobei die zweite Richtung der ersten Richtung entgegengesetzt ist; und Injizieren des Brennstoffs hohen Energiegehalts in den Brennstoff/Luftmischer von einem Brennstoffgehäuse, das in Fluidverbindung mit Brennstoffeinlasskanälen in dem äußeren Verwirbler steht, wobei das Brennstoffgehäuse im Wesentlichen an der gleichen axialen Stelle angeordnet ist, an der der erste und der zweite Verwirbler angeordnet sind oder Injizieren des Brennstoffs niedrigen Energiegehalts in den Brennstoff/Luftmischer aus einem Brennstoffplenum, das einen durch ein inneres und ein äußeres, sich in Achsrichtung unter Ausbildung eines dazwischen liegenden Spaltes erstreckenden Gehäuses ausgebildeten Ringraum aufweist, wobei ein Brennstoffeinlass an einem stromaufwärtigen Teil des Brennstoffplenums angeordnet ist und ein Brennstoffplenumverwirbler in dem zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse bei einem strömungsabwärtigen Teil des Brennstoffplenums ausgebildeten Spalt angeordnet ist, wobei das innere Gehäuse des Brennstoffplenums in Umfangsrichtung rings um ein äußeres, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Endteil des inneren Verwirblers angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das außerdem beinhaltet: Einsaugen eines zweiten Gasstroms in das ringförmige Gehäuse: und Verwirbeln des zweiten Gasstromes in einem Radialverwirbler, wobei der Radialverwirbler strömungsabwärts des axialen Ortes des Brennstoffgehäuses und des inneren und äußeren Verwirblers angeordnet ist, der zweite Gasstrom aus einem Bereich außerhalb des ringförmigen Gehäuses angesaugt wird, und das Verwirbeln des zweiten Gasstroms derart geschieht, dass eine Brennstoffkonzentration in der Nähe einer Wand des ringförmigen Gehäuses am Ausgang des ringförmigen Gehäuses gesteuert wird.