DE10042325A1

DE10042325A1 - Zerstäubungsvorrichtung sowie Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE10042325A1
Application number: DE10042325A
Authority: DE
Inventors: Urs Benz; Jonas Hurter; Franz Joos; Marcel Stalder
Original assignee: Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2002-03-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zur Zerstäubung von Flüssigkeiten. Die Vorrichtung sowie das Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass zur Einstellung eines Druckunterschiedes zwischen der zu zerstäubenden Flüssigkeit und einem zugeführten Hilfsgas ein Regelelement (10) eingesetzt wird, das eine Kammer mit einem verschiebbar angeordneten Verstellelement (11) aufweist, das das Kammervolumen dichtend in zwei Teilvolumina unterteilt, deren Volumenverhältnis durch Verschiebung des Verstellelementes (11) veränderbar ist, wobei ein erstes Teilvolumen mit der Flüssigkeitszuführung (4, 4a) und ein zweites Teilvolumen mit der Gaszuführung (8) stromab eines Regelventils (7) in Verbindung stehen, wobei weiterhin ein Vorspannelement (12) vorgesehen ist, mit dem das Verstellelement (11) mit einer einstellbaren, in Richtung des zweiten Teilvolumens gerichteten Vorspannkraft beaufschlagbar ist, und wobei das Verstellelement (11) mit dem Regelventil (7) in der Gaszuführung (8) derart gekoppelt ist, dass einer Verschiebung des Verstellelementes (11) durch Verstellung des Stellorgans (7) zur Änderung des Gasflusses entgegengewirkt wird. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung ermöglicht ohne aufwendige Regeltechnik eine einfache Einstellung und Beibehaltung des Druckunterschiedes zwischen der Flüssigkeit und dem Gas in der Zerstäubungsvorrichtung.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zerstäu bungsvorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit. Die Zerstäubungsvorrich tung besteht aus einer Mischkammer, in die eine erste Zuführung für eine Flüssigkeit und eine zweite Zufüh rung für ein Gas münden, um das Gas der Flüssigkeit beizumischen, wobei die Mischkammer eine Auslassdüse als Zerstäubungselement aufweist. Derartige Zerstäu bungsvorrichtungen lassen sich beispielsweise zur Zer stäubung von Wasser, flüssigen Lacken oder Brennstoffen einsetzen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Einsatz der Zerstäubungsvorrichtung als Einspritzein heit einer Brennkammer in einem Wärmeerzeuger.

Stand der Technik

Zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen werden unter anderem so genannte Vollstrahlzerstäuber einge setzt. Bei einem derartigen Zerstäuber wird der flüssi ge Brennstoff aus einer Vorkammer durch eine kreisför mige Einspritzöffnung bestimmter Führungslänge unter hohem Druck ausgestoßen. Der sich ergebende Brenn stoffstrahl zerfällt hierbei in mehr oder weniger feine Tröpfchen. Um eine zur Verbrennung ausreichend feine Tröpfchenverteilung zu erzeugen, ist ein relativ hoher Brennstoffdruck erforderlich. Beim Einsatz in einer Gasturbinenanlage wird ein derartig hoher Brennstoff druck jedoch nur bei Volllast der Gasturbinenanlage er reicht. Demgegenüber wird beispielsweise beim Zünden einer Brennkammer oder beim Hochfahren nach dem Zünden aufgrund des niedrigen Brennstoffdurchsatzes nur ein geringer Brennstoffdruck benötigt. Ein geringer Brenn stoffdruck führt jedoch bei einem Vollstrahlzerstäuber zu relativ großen Tropfen, so dass dieser für den Teil lastbetrieb einer Gasturbinenanlage nicht geeignet ist.

Zur Lösung dieser Problematik wird in der EP 0849532 A2 der Betrieb einer Zerstäubervorrichtung vorgeschlagen, bei der stromauf der Einspritzöffnung unter Druck ein Hilfsgas in den Flüssigkeitsstrom ein gebracht wird. Diese Zerstäubungsvorrichtung besteht aus einer Mischkammer, in die die Zuführung für den flüssigen Brennstoff sowie eine Zuführung für ein Hilfsgas münden, um das Hilfsgas der Flüssigkeit in der Mischkammer beizumischen. Das Hilfsgas wird hierbei un ter gegenüber dem Brennstoff leicht erhöhtem Druck ein gebracht, was zu einer Zerstäubung mit in der Regel ausreichend kleinen Tröpfchengrößen führt. Beim Betrieb eines derartigen Zerstäubers als Einspritzeinheit der Brennkammer einer Gasturbine wird das Hilfsgas nur beim Anfahren und bei Teillast zur Erhöhung des Gesamtvolu menstroms und einer daraus resultierenden feineren Zer stäubung eingesetzt, während die Zerstäubungsvorrich tung bei Volllast als Vollstrahlzerstäuber, das heißt ohne zusätzliches Hilfsgas arbeitet.

Grundsätzlich erreichen bekannte Zerstäuberverfah ren bei geringem Aufwand an Präzision und Verfahrenstechnik eine oftmals nur ungenügende Zerstäubungsquali tät. So liegen die erreichbaren Tropfengrößen bei den meisten bekannten Zerstäubungsverfahren oberhalb von 50 µm. Sind kleinere Tropfendurchmesser gefordert, wie beispielsweise in Lackierbetrieben, bei der Zerstäubung von Brennstoffen in Gasturbinenanlagen, bei der Luft kühlung mittels Wassereinspritzung oder ähnlichem, ist ein erheblicher Aufwand erforderlich, um Tropfengrößen von 5 µm und kleiner zu erzeugen.

Der Einsatz eines Efferveszentzerstäubers, wie er in der EP 0849523 A2 beschrieben ist, bei dem dem Flüs sigkeitsstrom ein Hilfsgasstrom (Efferveszentgas) bei gemischt wird, stellt eine kostengünstige und verfah renstechnisch einfach beherrschbare Möglichkeit der Er zeugung kleiner Tröpfchen dar. Auch bei einer derarti gen Zerstäubungsvorrichtung werden jedoch die geforder ten Tropfengrößen von 5 µm und kleiner nur dann er reicht, wenn der Überdruck des Efferveszentgases zum Druck der zu zerstäubenden Flüssigkeit in engen Grenzen kontrolliert wird. Dies erfordert jedoch eine aufwendi ge Regelungstechnik mit entsprechenden Sensoren, um die Druckwerte im Flüssigkeits- und im Gassystem messen und über einen geeigneten Regelalgorithmus den Druck bzw. Massenstrom des Hilfsgases regeln zu können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zerstäubungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit anzugeben, mit denen zuverlässig, einfach kontrollierbar und kostengünstig auch kleine Tropfengrößen von 5 µm oder kleiner er reicht werden.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Zerstäubungsvorrichtung bzw. dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 8 ge löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung so wie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Weiterhin werden in den Ansprüchen 12 bis 14 bevorzugte Anwendungen der erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrich tung angegeben.

Die vorliegende Zerstäubungsvorrichtung besteht aus einer Mischkammer, in die eine erste Zuführung für eine Flüssigkeit und eine zweite Zuführung für ein Gas münden, um das Gas der Flüssigkeit beizumischen. Die Mischkammer weist hierbei eine Auslassdüse als Zerstäu bungselement auf, durch die die Flüssigkeit und das Gas unter Druck austreten. Zur Einstellung des Flüssig keitsdruckes in der Vorrichtung kann eine gesonderte Regeleinheit an der Flüssigkeitszuführung vorgesehen sein. Weiterhin weist die Gaszuführung ein Stellorgan auf, über das der Durchfluss des Gases durch die Gaszu führung und somit der Druck des Gases in der Mischkam mer eingestellt werden kann. Hierbei wird vorausge setzt, dass sowohl das Gas wie auch die Flüssigkeit der Zerstäubungsvorrichtung bereits unter erhöhtem Druck zugeführt werden. Zur definierten Einstellung bzw. Bei behaltung des für den Betrieb der Zerstäubungsvorrich tung erforderlichen Druckunterschiedes zwischen dem Gas und der Flüssigkeit ist eine Regeleinheit vorgesehen, die eine Kammer mit einem verschiebbar angeordneten Verstellelement aufweist, das das Kammervolumen dich tend in zwei Teilvolumina unterteilt, deren Volumenver hältnis durch Verschiebung des Verstellelementes veränderbar ist. Das erste Teilvolumen ist hierbei mit der Flüssigkeitszuführung, das zweite Teilvolumen mit der Gaszuführung stromab des Stellorgans verbunden. Weiter hin ist im ersten und/oder zweiten Teilvolumen ein Vor spannelement vorgesehen, das das Verstellelement mit einer einstellbaren, in Richtung des zweiten Teilvolu mens gerichteten Vorspannkraft beaufschlagt. Das Ver stellelement ist mit dem Stellorgan in der Gaszuführung derart gekoppelt, dass einer Verschiebung des Verstel lelementes durch Verstellung des Stellorganes und dar aus resultierende Änderung des Gasdruckes entgegenge wirkt wird.

Auf diese Weise ist keine aufwendige Regelung zur Aufrechterhaltung eines konstanten Druckunterschiedes zwischen dem Gas und der Flüssigkeit mehr erforderlich. Bei der vorliegenden Zerstäubungsvorrichtung wird zu nächst der Flüssigkeitsdruck entsprechend dem gewünsch ten Flüssigkeitsmassenstrom eingestellt, wobei dieser Flüssigkeitsmassenstrom von der jeweiligen Anwendung abhängig ist. Durch die erfindungsgemäß ausgestaltete Regeleinheit wird der Zufluss des Gases durch die Gas zuführungsleitung automatisch geändert, wenn sich die Druckverhältnisse zwischen den beiden Teilvolumina in der Kammer der Regeleinheit ändern. Bei Änderung dieses Druckverhältnisses verschiebt sich das Verstellelement und betätigt direkt oder indirekt das Stellorgan in der Gaszuführung derart, dass sich der Druck des Gases in der Gaszuführung und somit in dem zweiten Teilvolumen erhöht oder erniedrigt, um somit der Druckänderung ent gegen zu wirken. Die Kopplung zwischen dem Verstellele ment und dem Stellorgan kann hierbei mechanisch über einen Hebel oder eine Stange oder auch durch elektrische Ankopplung, beispielsweise über einen Motorantrieb des Stellorgans, erfolgen.

Ein aufwendiger Regelalgorithmus zur Steuerung des Gasflusses bzw. Gasdruckes in der Gaszuführungsleitung ist nicht mehr erforderlich. Weiterhin muss kein zu sätzlicher Sensor zur Messung des Gasdruckes eingesetzt werden. Die Einstellung des erforderlichen Druckunter schiedes zwischen dem Gas und der Flüssigkeit erfolgt in einfacher Weise durch Einstellung des Vorspannele mentes in der Kammer. Dieses Vorspannelement bewirkt, dass bei einer Gleichgewichtsstellung des Verstellele mentes, bei der dieses in Ruhestellung ist, der Druck des Gases im zweiten Teilvolumen um genau den gewünsch ten Druckunterschied größer ist als der Druck der Flüs sigkeit im ersten Teilvolumen.

Vorzugsweise ist die Kammer des Elementes zylin drisch ausgestaltet und das Verschiebeelement als Kol ben ausgebildet, der mittels entsprechenden umlaufenden Dichtelementen die Abdichtung zwischen den beiden Teil volumina sicherstellt. Das Vorspannelement ist vorzugs weise als Federelement beispielsweise in Form einer Druckfeder ausgestaltet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Stellorgan in der Gaszuführung mit einem zu sätzlichen Ausgleichskolben ausgestattet, um die Auf triebskräfte des strömenden Gases auf den Stößel des Ventils dieses Stellorgans zu egalisieren und damit die Regelung über das Verschiebeelement nicht störend zu beeinflussen.

Weiterhin kann die Auslassöffnung bzw. Auslassdüse der Mischkammer von einer weiteren Düse umgeben sein, die zusätzlich mit einem Hilfsgas beaufschlagt wird. Hierdurch wird zusätzlich zur inneren Zerstäubung eine äußere Zerstäubung bewirkt.

Als Quellen für das Gas sowie die Flüssigkeit kön nen Druckbehälter oder Hilfsverdichter eingesetzt wer den, um das Gas bzw. die Flüssigkeit unter einem ent sprechend geeignet hohen Druck zuzuführen. Besonders vorteilhaft beim Einsatz der vorliegenden Zerstäubungs vorrichtung in einer Strömungsmaschine zur Wärmeerzeu gung wird hierbei verdichtete Luft als Hilfsgas zuge führt. Dazu wird bei Bedarf entweder Umgebungsluft ver dichtet oder komprimierte Luft aus dem bereits vor dem Zünden des Brenners der Gasturbine gefüllten Druckbe hälter verwendet.

Je nach Verfügbarkeit kann die Zerstäubungsvor richtung jedoch auch mit inerten Gasen, wie beispiels weise Stickstoff, mit Zündgasen, wie beispielsweise Propan, oder mit Brenngasen, wie beispielsweise Erdgas, realisiert werden.

Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung sowie des zugehörigen Verfah rens stellt die Zerstäubung von Brennstoffen in einem Brenner einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise ei ner Gasturbine, dar. Eine bevorzugte Betriebsweise ent spricht hierbei der, wie sie auch in der eingangs ge nannten EP 0849532 A2 vorgeschlagen ist. Hierbei wird das Gas lediglich beim Anfahren sowie im Teillastbe trieb der Strömungsmaschine zugeführt, während im Volllastbetrieb die Zerstäubungsvorrichtung ohne zusätzli che Gaseindüsung betrieben wird.

Selbstverständlich bieten sich auch zahlreiche weitere Anwendungen für den Einsatz der Zerstäubungs vorrichtung sowie des zugehörigen Verfahrens an, bei spielsweise zum Lackieren von Flächen oder zum Kühlen von Luft oder Gasen mittels Wassereinspritzung.

Die vorliegende Zerstäubungsvorrichtung sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend ohne Beschrän kung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Beispiel für eine Ausgestal tung der vorliegenden Zerstäubungsvorrichtung;

Fig. 2 ein Beispiel für den Aufbau der Mischkammer mit der Auslassdüse in einer Ausgestaltung der vorliegenden Zerstäubungsvorrichtung; und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Auf bau der Mischkammer mit der Auslassdüse in ei ner Ausgestaltung der vorliegenden Zerstäu bungsvorrichtung beim Einsatz in einer Brenn kammer.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine er findungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung in stark schema tisierter Darstellung, wobei die Regeleinheit 10, im Folgenden auch als Regelelement bezeichnet, besonders herausgestellt ist. Die in der Figur dargestellte An ordnung mit dem erfindungsgemäßen Efferveszentzerstäu ber setzt sich aus einer Flüssigkeitsquelle 1, einer Gasquelle 5 sowie der erfindungsgemäßen Zerstäubungs vorrichtung mit der Mischkammer 9 zusammen. Der Misch kammer 9 wird über die Zuführung 4 Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsquelle 1 zugeführt. Zur Einstellung des ge wünschten Massenstromes und Druckes der Flüssigkeit dient in diesem Beispiel ein Regelapparat 2, der die Zuführung der Flüssigkeit 1 über ein Ventil 3 in der Flüssigkeitszuführung 4 steuert. Zum Unterbrechen der Flüssigkeitszufuhr zur Mischkammer 9 ist ein weiteres Ventil 14 in der Flüssigkeitszuführung 4 vorgesehen. Als Gas wird im vorliegenden Beispiel nachverdichtete Umgebungsluft, sogenannte Efferveszentluft, eingesetzt, die über die Gaszuführung 8 zur Mischkammer 9 geleitet wird. In dieser Gaszuführung sind zusätzlich zwei NC- Ventile (NC = normally closed) 6, 15 angeordnet, über die die Gaszuführung 8 geöffnet werden kann. Beispiele für die Ausgestaltung der Misch kammer 9 mit der Aus lassdüse können den Fig. 2 und 3 entnommen werden.

Der vorliegende Efferveszentzerstäuber wird beim Betrieb, beispielsweise in einer Brennkammer, von einem übergeordneten Regler angesteuert, um dem Prozess den geforderten Massenstrom an Flüssigkeit bzw. Brennstoff zuzuführen. Zu diesem Zweck ist das Kontrollventil 3 in geeigneter Weise in den Regelkreis des übergeordneten (nicht dargestellten) Reglers eingebunden. Die Funkti onsweise dieses übergeordneten Reglers ist nicht Gegen stand der vorliegenden Erfindung, so dass auf eine wei ter gehende Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird.

Für den Betrieb des Efferveszentzerstäubers ist wesentlich, dass der geförderte Flüssigkeitsmassenstrom über der Zerstäuberdüse der Mischkammer 9 einen Druck abfall erzeugt, welcher mit der Gleichung dp_liq = k × m_liq ² beschrieben werden kann. Hierbei stellt k eine von der Zerstäuberdüsengeometrie vorgegebene Konstante dar. Um die geforderte Tropfengröße von < 5 µm zu er zielen, muss zusätzliches Gas, im vorliegenden Falle Luft, vor der Austrittsdüse in die zu zerstäubende Flüssigkeit eingeblasen werden. Dies erfolgt in der Mischkammer 9. Der dazu benötigte Überdruck gegenüber der zu zerstäubenden Flüssigkeit liegt vorzugsweise bei einem Druckunterschied von 1 × 10⁵ bis 2 × 10⁵ Pa und ist dem Druckabfall der Flüssigkeit über der Austritts düse zu überlagern. Somit ergibt sich für den Druck der zusätzlichen Luft, den Efferveszentluftdruck, ein ge forderter Überdruck von dp_liq = k × m_liq ² + (1 × 10⁵ bis 2 × 10⁵ Pa) über der Austrittsdüse. Dieser Überdruck ist mit der heutigen digitalen Regelungstechnik zwar relativ einfach beherrschbar, andererseits benötigt ein entsprechender Regelkreis zwei Sensoren um die Druck werte im Flüssigkeits- und Luftsystem zu messen und über einen geeigneten Regelalgorithmus den Luftdruck bzw. Luftmassenstrom entsprechend zu regeln. Anstelle eines derart bereits relativ aufwendigen Reglerkreises mit mehreren Elementen und Schnittstellen wird vorlie gend ein sehr einfaches Regelelement eingesetzt, um den luftseitigen Druck kostengünstig, übersichtlich, ein fach und damit robust zu regeln.

Dieses erfindungsgemäße Regelelement 10 ist der Fig. 1 zu entnehmen. Hierbei wird der für den Luft druck bestimmende variable Druckabfall der Flüssigkeit k × m_liq ² über eine entsprechende Abzweigung 4a von der Zuführung 4 auf eine Seite (hier: links) einer Kammer des Regelelementes 10 gelegt. Die Kammer wird über ein als Kolben 11 ausgebildetes Verstellelement in zwei Teilvolumina unterteilt, wie dies der Figur zu entneh men ist. Zur Abdichtung der beiden Teilvolumina gegen einander weist der Kolben 11 Dichtungsringe 11a auf. Entsprechendes gilt für die Führungsstifte 16 des in der Kammer verschiebbaren Kolbens 11. Über diesen Kol ben 11 wird eine Kraft auf eine Steuerstange 17 aufge prägt, welche derart wirkt, dass mehr Luft über das luftseitige Regelventil 7 strömt, wenn sich das Teilvo lumen auf der rechten Seite der Kammer durch Erhöhung der Flüssigkeitsdruckes vergrößert (positive Rückkopp lung). Das gegenüberliegende Teilvolumen (rechte Seite) ist über eine Abzweigung 8a mit der Gaszuführung 8 stromab des Regelventils 7 verbunden. Die Steuerstange 17 und der Kolben 11 erfahren dadurch eine entgegenge setzte Kraft, welche durch den Luftdruck nach dem Re gelventil 7 definiert ist. Dieser Druck wird auf der rechten Seite der Kolbenfläche aufgeprägt (negative Rückkopplung). Liegt auf beiden Seiten des Kolbens 11 der gleiche Druck an - einmal aufgrund des Luftdrucks und einmal aufgrund des Flüssigkeitsdrucks -, so ist der Kolben kräftemäßig im Gleichgewicht, und das Ventil 7 bleibt in seiner aktuellen Lage fixiert. Ist der Luftdruck größer als der Flüssigkeitsdruck, so wird das Luftventil 7 aufgrund der negativen Rückkopplung weiter geschlossen, bis der Luftdruck dem Flüssigkeitsdruck entspricht. Ist der Flüssigkeitsdruck höher als der Luftdruck, so wird das Ventil 7 aufgrund der positiven Rückkopplung zum weiteren Öffnen angesteuert, bis der Luftdruck gleich dem Wasserdruck ist. Durch diese An ordnung ist der variable Anteil am benötigten Luftdruckabfall beschrieben. Zur Sicherstellung des festen Anteils von vorzugsweise 1 × 10⁵ bis 2 × 10⁵ Pa Über druck ist ein zusätzliches Vorspannelement 12 in der Kammer des Regelelementes 10 vorgesehen. Der Überdruck wird hierbei über eine verstellbare Federkraft dieses Vorspannelementes 12 eingestellt. Hierfür wird vorzugs weise eine Druckfeder eingesetzt, die in dem Teilvolu men zwischen dem Gehäuse des Regelelementes 10 und der flüssigseitig beaufschlagten Kolbenfläche eingesetzt ist. Diese Druckfeder 12 wird dabei so weit vorge spannt, das die Vorspannkraft dem gewünschten Druckun terschied von 1 × 10⁵ bis 2 × 10⁵ Pa entspricht. Mit dem Pfeil s ist in der Figur die Verstellung angedeutet, um die Federvorspannung anpassen zu können.

Beim Betrieb dieser Zerstäubungsvorrichtung wird, wie oben beschrieben, von einem übergeordneten Regler ein bestimmter Massenstrom an Flüssigkeit angefordert. In einem ersten Schritt werden die beiden NC (normally closed)-Ventile 6 und 15 angesteuert, so dass das luft seitige System in Bereitschaft gesetzt wird und ein ge wisser Anteil an Efferveszentluft in die Mischkammer 9 strömt. Da noch keine Flüssigkeit fließt und somit kein Druck aufgebaut wird, regelt sich die Efferveszentluft so weit zurück, bis ein Gleichgewicht zwischen der Fe derkraft des Vorspannelementes 12 und der Druckkraft der Efferveszentluft auf den Steuerkolben 11 entsteht. Danach wird das flüssigkeitsseitige Regelventil 3 ge öffnet und in geeigneter Weise der gewünschte Massen strom an Flüssigkeit dem Prozess zugeregelt. Entspre chend dem zugeregelten Flüssigkeitsmassenstrom ergibt sich ein Druckabfall über der Zerstäuberdüse, wodurch, wie bereits beschrieben, das Gleichgewicht des Steuerkolbens 11 gestört wird. Durch diese Gleichgewichtsstö rung öffnet das luftseitige Regelventil 7 so weit, bis das Gleichgewicht wieder erreicht ist. Auf diese Weise lässt sich jeder Zeit der gewünschte Druckunterschied zwischen dem Gas bzw. der Luft und der Flüssigkeit vor der Auslassöffnung der Mischkammer 9 aufrechterhalten.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Ausgestaltung der Mischkammer mit der Auslassdüse einer erfindungsge mäßen Zerstäubervorrichtung. Hierbei ist die Mischkam mer 9 zu erkennen, die sich in Richtung der Auslassöff nung 18 verjüngt. Die Zufuhr der Flüssigkeit erfolgt über die seitliche Zufuhröffnung 19. Im Zentrum der zy linderförmig ausgebildeten Mischkammer 9 ist eine Lanze 20 zu erkennen, der die Efferveszentluft über die Zu führung 8 zugeleitet wird. Die Lanze 20 ist mit Aus trittsöffnungen versehen, um die Efferveszentluft mit der Flüssigkeit in der Mischkammer 9 zu vermischen.

Um die Zerstäuberdüse 18 ist im vorliegenden Bei spiel eine weitere Düse 21 mit entsprechenden Gaszufüh rungen 22a, 22b ausgebildet. Diese zusätzliche Düse (air-assist Düse) ermöglicht eine weitere Verbesserung der Zerstäubung. Sie ermöglicht zusätzlich zur inneren Zerstäubung auch eine äußere Zerstäubung. Hierfür wird die zusätzliche Düse 21 mit einem weiteren gasförmigen Medium betrieben, welches dem gleichen Gas entsprechen kann, wie das der Mischkammer 9 zugeführte. Selbstver ständlich ist aber auch ein anderes dem jeweiligen Ver wendungszweck dienliches Gas hierfür einsetzbar. Der über die zusätzliche Düse 21 geförderte Gasmassenstrom kann entweder in gleicher Weise wie die Efferveszent luft geregelt (in der Figur nicht dargestellt) oder auch mit einem eigenständigen Regelkreis und Regelalgo rithmus betrieben werden. Hierbei sind die Druckver hältnisse frei wählbar, so zum Beispiel ein konstanter Druck des zusätzlichen Gases, ein variabler Druck des zusätzlichen Gases oder der gleiche Druck des zusätzli chen Gases wie der der Efferveszentluft.

Fig. 3 zeigt schließlich eine weitere Ausgestal tungsform einer Mischkammer mit Austrittsdüse, wie sie im Zusammenhang mit der vorliegenden Zerstäubungsvor richtung einsetzbar ist. Das Beispiel zeigt diese Mischkammer 9 mit der Düse 18 und den entsprechenden Zuführungen beim Einsatz in einem Brenner. In diesem Fall wird somit die Zerstäubungsvorrichtung mit flüssi gem Brennstoff betrieben.

Jeder Brenner besteht aus einem äußeren Luftrohr 24 und einer koaxial im Inneren des Luftrohres angeord neten Zerstäubervorrichtung, welche beide in eine Brennkammer 25 der Gasturbinenanlage münden. Die Zer stäubervorrichtung weist ein Flüssigbrennstoffrohr 26 mit einem Innenraum bzw. einer Mischkammer 9, einer Brennstoffzuleitung 4 und einer kreisförmigen Ein spritzöffnung 18 auf. Im Innenraum 9 des Zerstäubers ist ein mit einer Zuleitung 8 verbundenes Gasrohr 20 angeordnet, welches mehrere Austrittsöffnungen 23 in den Innenraum 9 aufweist. Der Innenraum 9 ist in Rich tung der Einspritzöffnung 18 verjüngt, um die Düsenwir kung zu erzielen. Die Zuleitung 8 weist ein Steuerven til 7 auf, mit dem der Gasfluss verändert werden kann.

Beim Betrieb einer Gasturbinenanlage mit einer derartigen Anordnung wird jeder Brenner der Gasturbi nenanlage über die entsprechende Brennstoffzuleitung 4 mit Brennöl versorgt. Dabei gelangt das Brennöl zunächst in den Innenraum 9 des Flüssigbrennstoffrohres 26, wo es durch den Brennstoffdruck in Richtung der Einspritzöffnung 18 weiterbefördert wird. Sowohl wäh rend dem Zündvorgang als auch beim Teillastbetrieb der Brenner bzw. der Gasturbinenanlage wird über die Zulei tung 8 und die im Gasrohr 20 angeordneten Austrittsöff nungen 23 als Hilfsgas dienende, verdichtete Luft in das sich im Innenraum 9 befindliche Brennöl eingelei tet. Diese Eindüsung erfolgt mit geringer Geschwindig keit und mit einem gegenüber dem Brennöl nur unwesent lich höheren Druck von ca. 0,1 bis 3,0 × 10⁵ Pa. Durch die zusätzliche Luft wird der Volumenstrom und damit der Brennstoffdruck erhöht, so dass sowohl bereits beim Zündvorgang als auch beim Teillastbetrieb der Brenner eine verbesserte Zerstäubung des Brennöls erzielt wer den kann. Durch das zusätzliche Eindüsen der Luft wird insbesondere eine sehr feine Zerstäubung erreicht.

Mit zunehmender Last der Gasturbinenanlage nimmt der Brennstoffdurchsatz des Brenners ständig zu. Analog zum Brennstoffdurchsatz steigt der Brennstoffdruck im Brenner und in der Zerstäuberdüse an. Wenn der zu einer ausreichenden Zerstäubung erforderliche Brennstoffdruck erreicht ist, kann die Luftzufuhr durch Schließen des Steuerventils 7 unterbrochen werden. Der Brennstoff druck reicht in diesem Falle aus, um eine ausreichend feine Zerstäubung auch ohne die zusätzliche Luftein düsung zu ermöglichen.

Bezugszeichenliste

1

Flüssigkeitsquelle

2

Regelapparat

3

Regelventil

4

/

4

a Flüssigkeitszuführung

5

Gasquelle

6

NC-Ventil

7

Regelventil

8

/

8

a Gaszuführung

9

Mischkammer

10

Regelelement

11

Verstellelement bzw. Kolben

11

a Dichtungselemente

12

Vorspannelement bzw. Druckfeder

13

Austrittsöffnung bzw. Düse

14

Ventil

15

NC-Ventil

16

Führungsstift

17

Steuerstange

18

Einspritzöffnung

19

Öffnung für Flüssigkeitszuführung

20

Gasrohr

21

Zusatzdüse

22

a/

22

b Gaszuführungen

23

Austrittsöffnungen

24

äußeres Luftrohr

25

Brennkammer

26

Flüssigbrennstoffrohr

Claims

1. Zerstäubungsvorrichtung, bestehend aus einer Mischkammer (9), in die eine erste Zuführung (4) für eine Flüssigkeit und eine zweite Zuführung (8) für ein Gas münden, um das Gas der Flüssigkeit beizumischen, wobei die Mischkammer (9) eine Aus lassdüse (13, 18) als Zerstäubungselement aufweist und die zweite Zuführung mit einem Stellorgan (7) zur Einstellung des Durchflusses des Gases durch die zweite Zuführung (8) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit (10) vorgesehen ist, die eine Kammer mit einem verschiebbar angeordneten Verstellelement (11) aufweist, das das Kammervolu men dichtend in zwei Teilvolumina unterteilt, de ren Volumenverhältnis durch Verschiebung des Ver stellelementes (11) veränderbar ist, wobei ein er stes Teilvolumen mit der ersten Zuführung (4, 4a) und ein zweites Teilvolumen mit der zweiten Zufüh rung (8, 8a) stromab des Stellorgans (7) in Ver bindung stehen, wobei im ersten und/oder zweiten Teilvolumen ein Vorspannelement (12) vorgesehen ist, das das Verstellelement (11) mit einer ein stellbaren, in Richtung des zweiten Teilvolumens gerichteten Vorspannkraft beaufschlagt, und wobei das Verstellelement (11) mit dem Stellorgan (7) in der zweiten Zuführung (8) derart gekoppelt ist, dass einer Verschiebung des Verstellelementes (11) durch Verstellung des Stellorgans (7) zur Änderung des Gasflusses entgegengewirkt wird.

2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (11) mechanisch mit dem Stellorgan (7) gekoppelt ist.

3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (7) ein verstellbares Ventil ist.

4. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer zylindrisch ausgeführt und das Verstellelement (11) als Kolben ausgebildet ist.

5. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (12) ein Federelement mit einstellbarer Federkraft ist.

6. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (7) mit einem zusätzlichen Ausgleichskolben ausgestattet ist, um den Strö mungseinfluss des Gasflusses auf das Stellorgan zu vermindern.

7. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassdüse (13, 18) von einer zusätzli chen Düse (21) ummantelt ist.

8. Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, bei dem die zu zerstäubende Flüssigkeit unter Druck einer Mischkammer (9) mit einer Auslassdüse (13, 18) zugeführt und in der Mischkammer (9) mit einem Gas beaufschlagt wird, das unter einem höheren Druck steht als die Flüssigkeit, wobei der resul tierende Druckunterschied zwischen dem Gas und der Flüssigkeit während der Zerstäubung beibehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beibehaltung des Druckunterschiedes durch eine Regeleinheit (10) erfolgt, die eine Kammer mit einem verschiebbar angeordneten Verstellele ment (11) aufweist, das das Kammervolumen dichtend in zwei Teilvolumina unterteilt, deren Volumenver hältnis durch Verschiebung des Verstellelementes (11) veränderbar ist, wobei das erste Teilvolumen mit der Flüssigkeit und das zweite Teilvolumen mit dem Gas stromab eines Stellorgans (7) zur Einstel lung eines Durchflusses des Gases in Verbindung stehen, wobei im ersten und/oder zweiten Teilvolu men ein Vorspannelement (12) vorgesehen ist, das das Verstellelement (11) mit einer in Richtung des zweiten Teilvolumens gerichteten einstellbaren Vorspannkraft beaufschlagt, die derart eingestellt wird, dass sie dem beizubehaltenden Druckunter schied entspricht, und wobei das Verstellelement (11) mit dem Stellorgan (7) derart gekoppelt ist, dass einer Verschiebung des Verstellelementes (11) durch Verstellung des Stellorgans (7) entgegenge wirkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Vorspannelement (12) ein Druckunter schied von 1 . 10⁵ bis 2 . 10⁵ Pa eingestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Luft eingesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Brennstoff eingesetzt wird.

12. Anwendung der Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Zerstäubung von Brenn stoffen in einem Brenner einer Strömungsmaschine.

13. Anwendung nach Anspruch 12, bei der das Gas nur bei Start und Teillast des Brenners bzw. der Strö mungsmaschine zugeführt wird.

14. Anwendung der Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Zerstäubung eines Kühl mittels für die Kühlung eines gasförmigen Mediums in einer Strömungsmaschine.