DE102005022772A1

DE102005022772A1 - Brenner mit Teilvormischung und -vorverdampfung des flüssigen Brennstoffs

Info

Publication number: DE102005022772A1
Application number: DE200510022772
Authority: DE
Inventors: Nikolaos Prof. Dr.-Ing. Zarzalis; Klaus Merkle; Paris Fokaides
Original assignee: Universitaet Karlsruhe
Current assignee: Universitaet Karlsruhe
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2007-01-11
Also published as: EP1722164A1

Abstract

Verbrennungsvorrichtung für flüssige Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zerstäuberdüse durch die Aufteilung des Oxidationsmittels in einen primären und sekundären Strömungskanal die Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel teilweise oder vollständig in der Brennkammer erfolgt und die Flamme abgehoben vom Brennermund brennt.

Description

Hauptziel der Entwicklungsaktivitäten auf dem Gebiet der Fluggasturbinen ist die Steigerung des Wirkungsgrades, die jedoch mit einer Anhebung des Druck- und Temperaturniveaus in der Brennkammer einhergeht. Neben den zusätzlichen Werkstoffbelastungen, welche sich hieraus ergeben, wirkt sich dies besonders negativ auf die Stickoxidemissionen aus. Zur Senkung der Stickoxidemissionen sind momentan unterschiedliche Verbrennungskonzepte in der Entwicklung.

Unabhängig von der gewählten Verbrennungsführung spielt die Brennstoffaufbereitung bei der technischen Umsetzung eine entscheidende Rolle. Luftzerstäuberdüsen stellen in modernen Gasturbinen derzeit die übliche Variante zur Flüssig-Brennstoffaufbereitung dar wie in DE 196 27 760 gezeigt. Nach deren Funktionsprinzip fließt der Brennstoff auf einer zylindrischen Oberfläche bis an deren Ende, wo aufgrund der Luftscherkräfte die Zerstäubung einsetzt. Die Luftströmung wird durch die Zerstäuberdüse in einen primären und sekundären Strömungskanal geteilt und gegensinnig bzw. gleichsinnig verdrallt, so dass im Brennraum Rotationswirbel erzeugt werden. Hierzu ist jedem Strömungskanal eine radial angeströmte Drallvorrichtung zugeordnet.

Die Funktion der Luftzerstäuberdüsen basiert auf dem Konzept der turbulenten Diffusionsflamme. Bei diesem Konzept laufen die Prozesse Mischung und Verbrennung innerhalb eines Brennraumes gleichzeitig ab. Dadurch stellt sich eine örtlich wie zeitlich stark inhomogene Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel ein, was zu einer stark inhomogenen Temperaturverteilung führt. Dies bedeutet, dass auch bei Verbrennung mit Sauerstoffüberschuss örtlich begrenzt stöchiometrische Gebiete auftreten, die wegen ihrer hohen Temperaturen eine hohe Bildungsrate des Schadstoffes NOx aufweisen.

Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Brenner anzugeben, der, durch Abheben einer Diffusionsflamme, eine weitgehend homogene Verteilung des Luft-Brennstoffgemisches im Brennraum ermöglicht.

Durch eine Flamme die „abgehoben" bzw. mit einem gewissen Abstand vom Düsenaustritt brennt, wird die Vormischung in den Brennraum verlagert. Im Gegensatz zur „aufsitzend" brennenden Flamme liegt nun innerhalb des Brennraums eine Strecke vor, die für die Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel genutzt werden kann.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die schwache Verdrallung des sekundären Strömungskanals (1), die auch unverdrallt sein kann, die Flamme stromab verlagert wird. Darüber hinaus muss der Massenstrom des sekundären Luftstroms (2) größer als der des primären Luftstroms (3) sein. Ebenfalls zu diesem Zweck dienen auch die scharfkantige Form (4) der Auslassfläche der ausgeführten Strömungskanäle, sowie der kleine Winkel (<15°) ihres divergenten Bereichs (5). Die hohe Drallzahl des primären Strömungskanals (6) führt zudem zu einem Rezirkulationswirbel an der rückseitigen Wand des Brennraumes wodurch eine homogene Verbrennung erzielt werden soll. Um eine bessere Homogenität durch die Filmverdampfung zu erreichen, wird die Zerstäuberlippe (7), die den primären vom sekundären Luftstrom trennt, möglichst lang, bis an die Mündung der Zerstäuberdüse ausgeführt. Durch die Positionierung der Zerstäuberlippe (8) am engsten Strömungsquerschnitt (9) in der Zerstäuberdüse bzw. kurz davor kann die Zerstäubung des Brennstoffes in einem Bereich der maximalen Luftscherkräfte erfolgen, so dass die, Zerstäubung optimal erfolgen kann. Was die Zerstäubung flüssigen Brennstoffes betrifft, besteht die Möglichkeit, den Brennstoff entweder durch eine Düse (10) oder durch konzentrische Kanäle (11) der Zerstäubungszone zuzuführen.
Da sich die Vormischstrecke in diesem Fall im Brennraum selbst befindet, der für hohe Drücke und Temperaturen ausgelegt ist, würde dieser auch im Falle eines Flammenrückschlages, der zu einer „aufsitzend" brennenden Flamme führen würde, nicht zerstört.

Claims

Verbrennungsvorrichtung für flüssige Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zerstäuberdüse durch die Aufteilung des Oxidationsmittels in einen primären und sekundären Strömungskanal die Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel teilweise oder vollständig in der Brennkammer erfolgt und die Flamme abgehoben vom Brennermund brennt.
Zerstäuberdüse in einer Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre und sekundäre Strömung des Oxidationsmittels über eine radial angeströmte Drallvorrichtung in der Zerstäuberdüse gegensinnig oder gleichsinnig verdrallt sind.
Zerstäuberdüse nach einen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Strömung wenig verdrallt oder unverdrallt sein kann.
Zerstäuberdüse nach einen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Massenstrom gleich oder größer ist als die primäre Massenstrom.
Zerstäuberdüse nach einen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuberlippe zur Trennung des primären vom sekundären Luftstroms bis in den Bereich des engsten Strömungsquerschnitts oder vor dem engsten Querschnitt der Zerstäuberdüse an der Austrittsöffnung des Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisches in die Brennkammer geführt wird.
Zerstäuberdüse nach einen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff durch eine oder mehrere Düsen oder durch konzentrische Kanäle zugeführt wird.
Zerstäuberdüse nach einen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusorwinkel (5) kleiner als 15° ist.
Zerstäuberdüse nach einen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusoraustritt (4) scharfkantig ist.
Zerstäuberdüse nach einen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuberlippe (7) möglicht lang ausgeführt wird, um eine Teilsverdampfung des Brennstoffs zu gewährleisten.
Zerstäuberdüse nach einen der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische engste Querschnitt (12) länger ausgeführt wird, um eine Teilverdampfung und -vermischung innerhalb der Düse zu gewährleisten.