-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung umfasst allgemein ein System und Verfahren zur Kühlung einer Düse. Insbesondere können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Kühlmedium durch einen geschlossenen Kühlkreislauf liefern, um Oberflächen der Düse zu kühlen.
-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Gasturbinen sind in Industrie- und Energieerzeugungsunternehmen weit verbreitet. Eine typische Gasturbine enthält einen Axialverdichter vorne, eine oder mehrere Brennkammern in etwa in der Mitte und eine Turbine hinten. Umgebungsluft tritt in den Verdichter ein, und umlaufende Laufschaufeln sowie stationäre Leitschaufeln in dem Verdichter verleihen der Luft zunehmend kinetische Energie, um ein komprimiertes Arbeitsfluid in einem energiereichen Zustand hervorzubringen. Das komprimierte Arbeitsfluid tritt aus dem Verdichter aus und strömt durch Düsen in den Brennkammern, wo es sich mit einem Brennstoff vermischt und entzündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisen. Die Verbrennungsgase expandieren in der Turbine, um Arbeit zu verrichten. Z. B. kann eine Expansion der Verbrennungsgase in der Turbine eine Welle drehend antreiben, die mit einem Generator verbunden ist, um Elektrizität zu erzeugen.
-
Es ist weithin bekannt, dass der thermodynamische Wirkungsgrad einer Gasturbine steigt, wenn die Betriebstemperatur, nämlich die Verbrennungsgastemperatur steigt. Falls jedoch der Brennstoff und die Luft vor einer Verbrennung nicht gleichmäßig miteinander vermischt werden, können sich örtlich begrenzte heiße Stellen in der Brennkammer ausbilden. Die lokalen heißen Stellen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass eine Flamme in der Brennkammer in die Düsen zurückschlägt und/oder innerhalb der Düsen haften bleibt, was die Düsen beschädigen kann. Obwohl ein Flammenrückschlag und ein Flammenhalten bei jedem Brennstoff auftreten können, treten sie eher bei reaktiveren Brennstoffen, wie beispielsweise Wasserstoff, auf, die eine höhere Brenngeschwindigkeit und einen breiteren Entflammbarkeitsbereich aufweisen.
-
Es existieren vielfältige Methoden, die höhere Betriebstemperaturen bei gleichzeitiger Minimierung des Flammenrückschlags und Flammenhaltens ermöglichen. Viele dieser Methoden versuchen, die lokalen heißen Stellen zu reduzieren und/oder strömungsarme Bereiche zu reduzieren, um das Auftreten eines Flammenrückschlags oder Flammenhaltens zu verhindern oder zu verringern. Z. B. ergeben ständige Verbesserungen der Düsenkonstruktionen eine gleichmäßigere Vermischung des Brennstoffs mit der Luft vor der Verbrennung, um die Ausbildung lokaler heißer Stellen in der Brennkammer zu verringern oder zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich sind Düsen entworfen worden, um eine minimale Durchflussrate von Brennstoff und/oder Luft durch die Düse sicherzustellen, um die Düsenoberflächen zu kühlen und/oder die Flamme in der Brennkammer am Rückschlagen in die Düse hinein zu hindern. Jedoch wären weitere Verbesserungen der Düsenkonstruktionen zur Reduktion und/oder Verhinderung des Auftretens eines Flammenhaltens oder Flammenrückschlags nützlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Düse, die einen Mittelkörper enthält. Ein Mantel umgibt wenigstens einen Abschnitt des Mittelkörpers in Umfangsrichtung um einen Ringkanal zwischen dem Mittelkörper und dem Mantel zu definieren. Ein geschlossener Kühlkreislauf erstreckt sich im Inneren des Mittelkörpers.
-
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Düse, die einen Mittelkörper enthält. Ein Mantel umgibt wenigstens einen Abschnitt des Mittelkörpers in Umfangsrichtung, um einen Ringkanal zwischen dem Mittelkörper und dem Mantel zu definieren. Ein geschlossener Kreislauf erstreckt sich außerhalb der Düse entlang des Mantels.
-
Die vorliegende Erfindung enthält ferner ein Verfahren zur Kühlung einer Düse. Das Verfahren enthält ein Strömenlassen eines Kühlmediums durch einen geschlossenen Kühlkreislauf im Inneren der Düse.
-
Fachleute auf dem Gebiet werden die Merkmale und Aspekte derartiger Ausführungsformen und weiterer bei einer Durchsicht der Offenbarung besser erkennen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine umfassende und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, für Fachleute ist in größeren Einzelheiten in der restlichen Beschreibung gegeben, die eine Bezugnahme auf die beigefügten Figuren enthält, in denen zeigen:
-
1 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine axiale Schnittansicht der in 1 veranschaulichten Brennkammer;
-
3 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht einer Düse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
4 eine Perspektivansicht einer Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
5 eine Perspektivansicht einer Leitschaufel gemäß einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Bezeichnungen durch Zahlen und Buchstaben, um auf Merkmale in den Zeichnungen Bezug zu nehmen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung Bezug zu nehmen.
-
Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet erkennbar sein, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren Rahmen oder Umfang abzuweichen. Z. B. können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfassen soll, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
-
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzielen eine Kühlung der Düsenoberflächen, um das Auftreten eines Flammenhaltens zu reduzieren und für den Fall, dass ein Flammenhalten auftritt, jeden Schaden an den Düsenoberflächen zu reduzieren und/oder zu verhindern. Besondere Ausführungsformen können einen geschlossenen Kühlkreislauf enthalten, der ein Kühlmedium durch und/oder angrenzend an Düsenkomponenten zirkulieren lässt, um die Düse zu kühlen.
-
1 zeigt eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Brennkammer 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie veranschaulicht, enthält die Brennkammer 10 allgemein eine oder mehrere Düsen 12, die in einer oberen Kappe 14 radial angeordnet sind. Ein Gehäuse 16 kann die Brennkammer 10 umgeben, um die Luft oder das komprimierte Arbeitsfluid aufzunehmen, die bzw. das aus dem (nicht veranschaulichten) Verdichter austritt. Eine Endkappe 18 und ein Flammrohr 20 können einen Brennraum 22 stromabwärts von den Düsen 12 definieren. Eine Strömungshülse 24 mit Durchflusslöchern 26 kann das Flammrohr 20 umgeben, um einen ringförmigen Kanal 28 zwischen der Strömungshülse 24 und dem Flammrohr 20 zu definieren.
-
2 zeigt eine Draufsicht von oben auf die in 1 veranschaulichte Brennkammer 10. Verschiedene Ausführungsformen der Brennkammer 10 können eine unterschiedliche Anzahl und Anordnung von Düsen enthalten. Z. B. enthält die Brennkammer 10 in der in 2 veranschaulichten Ausführungsform fünf Düsen 12, die radial angeordnet sind. Das Arbeitsfluid strömt durch den Ringkanal 28 zwischen der Strömungshülse 24 und dem Flammrohr 20, bis es die Endkappe 18 erreicht, wo es die Richtung umkehrt, um durch die Düsen 12 hindurch und in den Brennraum 22 hineinzuströmen.
-
Wie in den 1 und 2 veranschaulicht, kann ein Verteiler 30 mit den Düsen 12 verbunden sein, um ein Kühlmedium 32 zu und/oder durch die Düsen 12 zu liefern. Der Verteiler 30 kann eine beliebige Leitungs- und Ventilanordnung enthalten, wie sie für einen Fachmann auf dem Gebiet zur Schaffung einer Fluidströmungsverbindung bekannt sind. Das Kühlmedium 32 kann jedes beliebige Fluid aufweisen, das zur Abführung von Wärme geeignet ist. Z. B. kann das Kühlmedium 32 Dampf, ein Kältemittel, ein Inertgas, ein Verdünnungsmittel oder ein anderes geeignetes für einen Fachmann bekanntes Fluid aufweisen. Das Kühlmedium 32 kann den Düsen 12 kontinuierlich oder nur dann zugeführt werden, wenn dies erwünscht ist, um eine zusätzliche Kühlung für die Düsen 12 zu erzielen.
-
3 zeigt eine vereinfachte seitliche Querschnittsansicht der Düse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 veranschaulicht, enthält die Düse 12 allgemein einen Mittelkörper 34 und einen Mantel 36. Der Mittelkörper 34 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer axialen Mittellinie 38 der Düse 12. Der Mantel 36 umgibt wenigstens einen Abschnitt des Mittelkörpers 34 in Umfangsrichtung, um einen ringförmigen Kanal 40 zwischen dem Mittelkörper 34 und dem Mantel 36 zu definieren. Die Düse 12 kann ferner eine oder mehrere Leitschaufeln 42 in dem Ringkanal 40 zwischen dem Mittelkörper 34 und dem Mantel 36 enthalten, die dem Brennstoff und/oder dem Arbeitsfluid, das über die Leitschaufeln 42 strömt, eine tangentiale Geschwindigkeit verleihen. Auf diese Weise kann das Arbeitsfluid durch den Ringkanal 40 strömen und sich mit dem von dem Mittelkörper 34 und/oder den Leitschaufeln 42 in den Ringkanal 40 eingeleiteten Brennstoff vermischen.
-
Wie in 3 veranschaulicht, kann die Düse 12 ferner einen geschlossenen Kühlkreislauf 44 enthalten, der eine Strömungsverbindung für das Kühlmedium 32 durch die Düse 12 hindurch und/oder um die Düse 12 herum schafft. In dem hierin verwendeten Sinne bedeutet „geschlossener Kreislauf”, dass das Kühlmedium 32 nicht absichtlich aus dem Kühlkreislauf 44 ausgegeben wird, um durch die Düse 12 und/oder in den Brennraum 22 zu strömen. Wie in 3 veranschaulicht, kann sich der geschlossene Kühlkreislauf 44 in, rings um und/oder durch eine(n) oder mehrere von dem Mittelkörper 34, den Leitschaufeln 42 und/oder dem Mantel 36 erstrecken. Z. B. kann sich der geschlossene Kreislauf 44 im Inneren des Mittelkörpers 34 erstrecken, um Wärme von dem Mittelkörper 34 abzuleiten und auf diese Weise die Außenfläche des Mittelkörpers 34 zu kühlen. In ähnlicher Weise kann sich der geschlossene Kreislauf 44 außerhalb der Düse 12 an dem Mantel 36 erstrecken, um die Innenfläche des Mantels 36 zu kühlen. Wie in größeren Einzelheiten in den 4 und 5 veranschaulicht, kann sich der geschlossene Kühlkreislauf 44 ferner im Inneren der Leitschaufeln 42 erstrecken, um eine Fluidströmungsverbindung für das Kühlmedium 32 durch die Leitschaufeln 42 hindurch zu schaffen. Z. B. kann der geschlossene Kreislauf 44, wie in 4 veranschaulicht, einen durch die Leitschaufeln 42 führenden serpentinenförmigen Strömungspfad zur Kühlung der Außenflächen der Leitschaufeln 42 enthalten. Alternativ kann der geschlossene Kühlkreislauf 44, wie in 5 veranschaulicht, einen Einlass 50 und einen Auslass 52 an den Leitschaufeln 42 enthalten, um eine Fluidströmungsverbindung für das Kühlmedium 32 durch die Leitschaufeln 42 hindurch zu schaffen. Auf diese Weise strömt das Kühlmedium 32 durch den geschlossenen Kühlkreislauf 44, um Wärme von dem Mittelkörper 34, den Leitschaufeln 42 und/oder dem Mantel 36 abzuführen, um die jeweiligen Oberflächen der Düse 12 zu kühlen.
-
Ein Fachmann auf dem Gebiet wird ohne weiteres erkennen, dass der geschlossene Kreislauf 44 mehrere Vorlaufanschlüsse 46 und Rücklaufanschlüsse 48 an verschiedenen Stellen aufweisen kann, um eine Fluidströmungsverbindung für das Kühlmedium 32 zu schaffen, damit dieses von dem Verteiler 30 durch den geschlossenen Kühlkreislauf 44 hindurch und zurück zu dem Verteiler 30 strömen kann. Z. B. kann der geschlossene Kühlkreislauf 44 durch den Mantel 36 hindurchführende Vorlauf- und Rücklaufanschlüsse 46, 48 aufweisen. Auf diese Weise kann das Kühlmedium 32 von dem Verteiler 30 aus durch den Mantel 36 und durch die Leitschaufeln 42 und/oder den Mittelkörper 34 strömen, bevor es zurück zu dem Verteiler 30 durch den Mantel 36 zurückkehrt. Alternativ oder zusätzlich kann der geschlossene Kühlkreislauf 44 einen Vorlaufanschluss 46 durch den Mantel 36 hindurch und einen Rücklaufanschluss 48 durch den Mittelkörper 34 hindurch aufweisen. Auf diese Weise kann das Kühlmedium 32 von dem Verteiler 30 aus durch den Mantel 36 hindurch und durch die Leitschaufeln 42 und/oder den Mittelkörper 32 strömen, bevor es zurück zu dem Verteiler 30 durch den Mittelkörper 34 hindurch zurückkehrt. Diese und weitere Strömungspfade für den geschlossenen Kühlkreislauf 44 liegen in dem Umfang verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
-
Ein Fachmann auf dem Gebiet wird ohne weiteres erkennen, dass die im Zusammenhang mit den 3, 4 und 5 vorstehend beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen ein Verfahren zum Kühlen einer Düse ergeben. Z. B. kann das Verfahren ein Leiten des Kühlmediums 32 durch den geschlossenen Kühlkreislauf 44 im Inneren der Düse 12 enthalten. In bestimmten Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Leiten des Kühlmediums 32 durch den geschlossenen Kühlkreislauf 44 im Inneren des Mittelkörpers 34, im Inneren der Leitschaufeln 42 und/oder an der Außenseite des Mantels 36 enthalten, um Wärme von der Düse 12 abzuleiten.
-
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
-
Eine Düse 12 enthält einen Mittelkörper 34. Ein Mantel 36 umgibt wenigstens einen Abschnitt des Mittelkörpers 34 in Umfangsrichtung, um einen Ringkanal 40 zwischen dem Mittelkörper 34 und dem Mantel 36 zu definieren. Ein geschlossener Kühlkreislauf 44 erstreckt sich im Inneren des Mittelkörpers 34. Ein Verfahren zum Kühlen einer Düse 12 enthält ein Leiten eines Kühlmediums 32 durch einen geschlossen Kühlkreislauf 44 im Inneren der Düse 12.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Brennkammer
- 12
- Düsen
- 14
- obere Kappe
- 16
- Gehäuse
- 18
- Endkappe
- 20
- Flammrohr
- 22
- Brennraum
- 24
- Strömungshülse
- 26
- Durchflusslöcher
- 28
- Ringkanal
- 30
- Verteiler
- 32
- Kühlmediumzufuhr
- 34
- Mittelkörper
- 36
- Mantel
- 38
- axiale Mittellinie
- 40
- Ringkanal
- 42
- Leitschaufeln
- 44
- geschlossener Kühlkreislauf
- 46
- Vorlauf
- 48
- Rücklauf
- 50
- Leitschaufeleinlass
- 52
- Leitschaufelauslass