DE10018602A1

DE10018602A1 - Kalibriervorrichtung einer Brennstoffdüse für Flüssigkeiten und ein Verfahren zur Anwendung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE10018602A1
Application number: DE2000118602
Authority: DE
Inventors: Jaan Hellat; Dieter Rebhan
Original assignee: Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-25

Abstract

Eine Brennstoffdüse (1) eines Brenners einer Gasturbine wird zur Bestimmung der Durchflusscharakteristik (Temperatur T¶fl¶, Druck p¶stat¶, Massenstrom m) in einer Druckkammer (2) angeordnet, welche ebenfalls mit der Testflüssigkeit gefüllt ist und eine Bestimmung der Durchflusscharakteristik der Brennstoffdüse (1) ohne das Auftreten von Kavitation unter realistischen Betriebsbedingungen des Brenners zulässt. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf die Vorrichtung als auch auf das Verfahren zur Kalibrierung mittels der Vorrichtung.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kalibriervorrichtung von Brennstoffdüsen für Flüssigkeiten und auf ein Verfahren zur Anwendung der Kalibriervorrichtung.

STAND DER TECHNIK

Eine Brennstoffdüse, für welche ein solches Kalibrierverfahren geeignet ist, ist beispielsweise aus der Europäischen Veröffentlichung EP-A1-911,583 in Verbindung mit einem Vormischbrenner einer Gasturbine bekannt. Sie dient zur Eindüsung von flüssigem Brennstoff in den Brenner durch eine zentral angeordnete Einspritzöffnung, welche den Brennstoff in Form eines Vollstrahls eindüst. Dieser Strahl öffnet sich stromabwärts und verteilt so die Brennstofftröpfchen gleichmässig über den gesamten Querschnitt. Durch tangential angeordnete Lufteintrittsschlitze wird der Vollstrahl durch einströmende, rotierende Verbrennungsluft umschlossen. Die Zerstäubung des Brennstoffs wird dabei hauptsächlich durch die Verbrennungsluft erreicht. Die Zerstäubung des Brennstoffs wird auf diese Art bei allen Lastbedingungen des Brenners erreicht, also von der Zündung bis zur Vollast. Um diesen Ansprüchen zu genügen müssen die Zerstäuberdüsen für Gasturbinen mit Mehrfachbrenneranordnung eine bestimmte Durchflusscharakteristik (Temperatur, Druck, Massenstrom und auch die Geometrie des Strahls) hinsichtlich der Gleichförmigkeit des Durchfusses erreichen. Dieses muss in einem spezifizierten Test nachgewiesen werden. Solche Tests werden in der Regel unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt. Dabei werden sowohl der Massenstrom als auch der Vordruck in der Düse bestimmt. Vor allen Dingen ist es von grosser Wichtigkeit, dass die Brennstoffdüse so ausgelegt ist, dass keine Kavitation in der Einspritzöffnung während dem Betrieb des Brenners auftritt. Ein Mass für die Kavitation ist die wie folgt definierte Kavitationskennzahl

wobei p_stat für den Druck, in den hineingedüst wird, p_vapor für den Dampfdruck der verwendeten Flüssigkeit, ρ_liquid für die Dichte der vewendeten Flüssigkeit und u für die Geschwindigkeit in der Düse steht. Die Kavitationskennzahl darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten.

Nachteil bei den heutigen Tests ist aber, dass das Eindüsen in die Umgebung unter atmosphärischen Bedingungen die Durchflusscharakteristik einiger Brenndüsen verfälscht, da die in der Düse auftretende Kavitation die Messwerte verfälscht. Eine Eindüsung in eine atmosphärische Umgebung entspricht auch deshalb nicht den realen Bedingungen, da sich mit steigendem Brennstoffdurchsatz in einer Gasturbine auch ein entsprechender Gegendruck darin aufbaut. Ein Test, welcher eine unter einem Druck stehende Atmosphäre vorsehen würde, ist aber mit einem grossen konstruktivem Aufwand verbunden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Ziel der Erfindung die genannten Nachteile zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einfache Kalibriervorrichtung einer Brennstoffdüse und auch ein Verfahren zur Anwendung dieser Kalibrierungsvorrichtung zu schaffen, mit welcher bzw. mit welchem es möglich ist, eine Durchflusscharakteristik der Brennstoffdüse unter realistischen Bedingungen einer Gasturbine zu bestimmen. Dies soll mit einfachen Mittel geschehen und auch Kavitation in der Einspritzöffnung der Brennstoffdüse vermeiden.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine Kalibriervorrichtung einer Brennstoffdüse gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass sich die Einspritzdüse der Brennstoffdüse in einer mit Flüssigkeit gefüllten Druckkammer befindet, die Druckkammer einen Ausfluss aufweist, wobei der Durchfluss des Ausflusses der Druckkammer und darüber auch der Druck p_stat in der Druckkammer einstellbar ist.

Durch diese Anordnung wird während der Kalibrierung der Brennstoffdüse gegenüber der Einspritzöffnung der Brennstoffdüse vorteilhaft ein Druck erreicht, der realistischen Betriebsbedingungen beispielsweise einer Gasturbine entspricht und so eingestellt werden kann, dass keine Kavitation in der Einspritzöffnung der Zerstäuber auftritt.

Um eine störungsfreie Ausströmung aus der Einspritzöffnung der Brennstoffdüse in die Druckkammer zu erreichen sollte das Verhältnis Abstand L zu Durchmesser D der Brennstoffdüse grösser 10 (L/D < 10) sein.

Der Ausfluss der Druckkammer ist vorteilhaft durch ein Ventil oder auch durch den Durchmesser des Ausflusses selbst einstellbar. Bei einer Verwendung einer erfindungsgemässen Kalibriervorrichtung gemäss dem Patentanspruch 9 sollte der Druck p_stat in der Druckkammer dem Gegendruck entsprechen, welcher in einem Brenner einer Gasturbine herrscht.

Die Brennstoffdüse ist gegenüber der Druckkammer so abzudichten, dass die Einspritzöffnung der Brennstoffdüse die einzige Einflussmöglichkeit in die Druckkammer ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss auch durch ein Verfahren zur Kalibrierung einer Brennstoffdüse mit einer Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gelöst, dass die Brennstoffdüse in die mit Flüssigkeit gefüllte Druckkammer geführt wird, und die Durchflusscharakteristik (Temperatur, Druck, Massenstrom) der Brennstoffdüse über die Durchflussmenge und die Druckdifferenz Δp_düse, welche sich aus dem Druck p_stat in der Druckkammer und dem Druck, welcher in der Brennstoffdüse herrscht, zusammensetzt, bestimmt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemässe Kalibriervorrichtung einer Brennstoffdüse für Flüssigkeiten.

Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die einzige Figur zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Kalibriervorrichtung zur Kalibrierung einer Brennstoffdüse 1.

Eine solche Brennstoffdüse 1 ist beispielsweise aus der Europäischen Veröffentlichung EP-A1-911,583 in Verbindung mit einem Vormischbrenner einer Gasturbine bekannt. Sie dient zur Eindüsung von flüssigem Brennstoff in den Brenner durch eine zentral angeordnete Einspritzöffnung 6, welche den Brennstoff in Form eines Vollstrahls eindüst. Dieser Strahl öffnet sich stromabwärts und verteilt so die Brennstofftröpfchen gleichmässig über den gesamten Querschnitt. Durch tangential angeordnete Lufteintrittsschlitze wird der Vollstrahl durch einströmende, rotierende Verbrennungsluft umschlossen.

Die Zerstäubung des Brennstoffs wird dabei hauptsächlich durch die Verbrennungsluft erreicht. Die Zerstäubung des Brennstoffs wird auf diese Art bei allen Lastbedingungen des Brenners erreicht, also von der Zündung bis zur Vollast.

Vor allen Dingen ist es von grosser Wichtigkeit, dass die Brennstoffdüse 1 so ausgelegt ist, dass keine Kavitation in der Einspritzöffnung 2 während dem Betrieb des Brenners auftritt. Deshalb muss eine gewisse Durchflusscharakteristik der Brennstoffdüse 1 in einem spezifizierten Test in bezug auf die Temperatur T_fl, den Druck p_stat und auch den Massenstrom nachgewiesen werden.

In der einzigen Figur wird eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Kalibrierung bzw. zur Bestimmung der Durchflusscharakteristik einer solchen Brennstoffdüse 1 dargestellt. Die Brennstoffdüse 1 wird in eine Druckkammer 2 eingeführt. Diese Druckkammer 2 ist gegenüber der Oberfläche der Brennstoffdüse 1 durch eine Dichtung 3 abgedichtet, so dass die Einspritzöffnung 6 die einzige Einflussmöglichkeit in die Druckkammer 2 ist und sich ein gewisser Druck p_stat in der Druckkammer 2 auch im Ausfluss 5 der Druckkammer 2 ausbilden kann. Die Druckkammer 2 ist mit der Testflüssigkeit, mit welcher die Brennstoffdüse 1 getestet wird, gefüllt. Der Durchfluss aus der Druckkammer 2 durch den Ausfluss 5 kann einfach durch den Durchmesser des Ausflusses 5 selbst oder, wie es in der einzigen Figur dargestellt ist, durch ein sich am Ende des Ausflusses 5 befindendes Ventil 4 eingestellt werden. Wie aus der einzigen Figur ersichtlich werden im Ausfluss 5 der Massenstrom und die Fluidtemperatur T_fl gemessen. Diese beiden Messungen können prinzipiell auch vor der Brennstoffdüse 1 durchgeführt werden.

In der einzigen Figur wird mit "L" der Abstand zwischen der Einspritzöffnung 6 der Brennstoffdüse 1 und dem Ausfluss 5 der Druckkammer 2 und mit "D" der Durchmesser der Hochdruckdüse 1 bezeichnet. Damit sich innerhalb der Druckkammer 2 gute Strömungsverhältnisse ausbilden können und eine störungsfreie Ausströmung aus dem Ausfluss 5 gewährleistet ist, sollte das Verhältnis von Abstand L zu Durchmesser D grösser 10 (L/D < 10) sein.

Der Druck p_stat in der Druckammer 2 wird so eingestellt, dass er einem Gegendruck einer Brennkammer einer Gasturbine unter realistischen Betriebsbedingungen entspricht.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Durchflusscharakteristik einer Brennstoffdüse 1 mit Hilfe einer erfindungsgemässen Vorrichtung wie sie in der einzigen Figur gezeigt wird. Die Durchflusscharakteristik der Brennstoffdüse 1 bestimmt sich aus der Durchflussmenge (Massenstrom ) und aus einer über die Brennstoffdüse 1 anliegenden Druckdifferenz Δp_düse. Diese Druckdifferenz Δp_düse bestimmt sich aus dem Druck, welcher in der Brennstoffdüse 1 herrscht, und aus dem Druck p_stat, welcher in der Druckkammer 2 anliegt. Der Druck p_stat wird durch den Durchfluss durch dem Ausfluss 5 aus der Hochdruckkammer bestimmt und so eingestellt, dass keine Kavitation innerhalb der Einspritzdüse 16 der Brennstoffdüse 1 auftreten kann. Wiederum kann die Durchflussmenge durch ein Ventil 4 oder einfach durch den Durchmesser des Ausflusses 5 eingestellt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die anfangs erwähnte Brennstoffdüse 1 beschränkt, sondern bezieht sich allgemein auf die Bestimmung von Durchflusscharakteristika von Brennstoffdüsen, welche unter atmosphärischen Bedingungen nicht oder nur erschwert möglich ist. Dies gilt insbesondere für eine Brennstoffdüse 1 einer Brennkammer einer Gasturbine mit Mehrfachbrenneranordnung.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Brennstoffdüse

2

Druckkammer

3

Dichtung

4

Ventil

5

Ausfluss von Hochdruckkammer

2

6

Einspritzöffnung von Brennstoffdüse

1

D Durchmesser
L Abstand
Massenstrom
p_stat

Druck in Druckkammer

2

Δp_düse

Differenzdruck
T_fl

Fluidtemperatur

Claims

1. Kalibriervorrichtung zur Bestimmung einer Durchflusscharakteritik von Brennstoffdüsen (1) für Flüssigkeiten, wobei die Brennstoffdüse (1) eine Einspritzöffnung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einspritzdüse (6) der Brennstoffdüse (1) in einer mit Flüssigkeit gefüllten Druckkammer (2) befindet, die Druckkammer (2) einen Ausfluss (5) aufweist, wobei der Durchfluss des Ausflusses (5) der Druckkammer (2) und darüber auch der Druck p_stat in der Druckkammer (2) einstellbar ist.

2. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Abstand L zu Durchmesser D grösser 10 (L/D < 10) ist, wobei L der Abstand zwischen der Einspritzdüse (6) der Brennstoffdüse (1) und dem Ausfluss (5) der Druckkammer (2) und D der Durchmesser der Brennstoffdüse (1) ist.

3. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss des Ausflusses (5) der Druckkammer (2) durch ein Ventil (4), welches sich am Ausfluss (5) der Druckkammer (2) befindet, oder den Durchmesser des Ausflusses (5) regulierbar ist.

4. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p_stat in der Druckkammer (2) dem Druck in einer Brennkammer einer Gasturbine entspricht.

5. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Brennstoffdüse (1) und der Druckkammer (2) eine Dichtung (3) befindet, so dass die Einspritzöffnung (6) der Brennstoffdüse (1) die einzige Einflussmöglichkeit in die Druckkammer (2) ist.

6. Verfahren zur Kalibrierung einer Brennstoffdüse (1) mit einer Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (1) in die mit Flüssigkeit gefüllte Druckkammer (2) geführt wird, und die Durchflusscharakteristik der Brennstoffdüse (1) über die Durchflussmenge , die Druckdifferenz Δp_düse, welche sich aus dem Druck p_stat in der Druckkammer (2) und dem Druck, welche in der Brennstoffdüse (1) herrscht, zusammensetzt, und die Fluidtemperatur T_fl bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge aus der Druckkammer (2) durch das Ventil (4) oder den Durchmesser des Ausflusses (5) eingestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck P_stat in der Druckkammer (2) so gewählt wird, dass keine Kavitation der Flüssigkeit in der Einspritzöffnung (6) der Brennstoffdüse (1) auftritt.

9. Verwendung einer Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Kalibrierung einer Brennstoffdüse (1) einer Brennkammer einer Gasturbine mit Mehrfachbrenneranordnung.