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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Düsenträger gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Der erfindungsgemäße Düsenträger eignet sich insbesondere zur
Verwendung in einer Eindüsungsvorrichtung
zum kontinuierlichen, massenstromvariablen Eindüsen der Flüssigkeit in eine Verdichterströmung speziell
einer Gasturbinenanlage.
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Gasturbinen
sind heutzutage üblicherweise sowohl
leistungsoptimiert als auch wirkungsgradoptimiert ausgelegt. Daher
verfügen
heutige Gasturbinen üblicherweise über nur
sehr geringe, über
die Nennleistung hinausreichende Leistungsreserven.
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Um
dennoch eine kurzzeitige oder auch länger andauernde Leistungssteigerung über die
Nennleistung der Gasturbine hinaus zu erzielen, kann Wasser oder
eine sonstige geeignete Flüssigkeit,
zu nennen wäre
insbesondere Alkohole oder Wasser-Alkohol-Mischungen, in die Verdichterströmung einer
Gasturbine eingespritzt oder eingedüst werden. Die hierdurch erzielbare
Leistungssteigerung ist darin begründet, daß das Wasser nach der Eindüsung verdampft
und hierdurch der durch den Verdichter strömenden Luft Wärme entzogen
wird. Dieser Verdampfungsvorgang stellt gleichsam eine Zwischenkühlung der
Verdichterströmung
dar und führt
dazu, daß zur
Verdichtung der Verdichterströmung
auf ein vorgegebenes Druckverhältnis
eine geringere Verdichterarbeit aufzubringen ist, als dies ohne
die Einbringung von Wasser erforderlich wäre. Gleichzeitig wird der Luftmassendurchsatz
durch den Verdichter erhöht.
Bei konstanter Brennkammeraustrittstemperatur der Gasturbine kann
somit in der Turbine der Gasturbine eine höhere Leistung umgesetzt und
zum Beispiel als Wellenleistung genutzt werden. Solche Einspritztechniken
sind aus den Patentschriften
DE 25
49 790 oder
FR 1 563
749 bekannt.
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Die
Flüssigkeit
wird mittels einer geeigneten Eindüsungsvorrichtung beispielsweise
in den Verdichterströmungskanal
stromauf des Verdichters oder auch in einer der Verdichterstufen
in den Verdichter eingedüst
werden. Eine solche Eindüsungsvorrichtung
umfasst üblicherweise
einen oder mehrere in den Strömungskanal
hineinragende Düsenträger mir
einer Mehrzahl von auf dem Düsenträger oder
auf den Düsenträgern angeordneten
Einzeldüsen.
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Die
Qualität
der Verdüsung
oder Zerstäubung
des Wassers hängt
in erheblichem Maße
von den zur Verdüsung
oder Zerstäubung
verwendeten Düsen
ab. Häufig
werden zur Flüssigkeitszerstäubung Druckzerstäuberdüsen eingesetzt,
bei denen der Verdüsungs- bzw. Zerstäubungsgrad
aber erheblich von dem Zerstäubervordruck
der Flüssigkeit,
d.h. dem Wasserdruck in der Zuleitung zur Düse, abhängt. Ist der Vordruck unzureichend,
so wird das Wasser nicht hinreichend verdüst. Es bilden sich zu große Tropfen,
die erst in den hinteren Verdichterstufen oder in der Brennammer
verdampfen. Auch kann sich Wasser an Gehäusewandungen sammeln und hier
dann teilweise in Bauteilspalte laufen. Ist umgekehrt der Vordruck
zu hoch, so kommt es zu einer sehr feinen Zerstäubung des eingedüsten Wassers. Durch
den überhöhten Wasserdruck
kommt es hierbei jedoch zu einer erhöhten Erosion der Düsen.
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Auch
bei hilfsmedienunterstützten
Düsen, beispielsweise
Luftzerstäuberdüsen, hängt die
Qualität
der Verdüsung
von dem Vordruck des zu verdüsenden
Wassers ab.
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Insbesondere
bei Verwendung von Druckzerstäubern
sind die Eindüsungsvorrichtungen üblicherweise
entsprechend einem Nennmassendurchsatz ausgelegt, bei dem dann eine
bestmögliche
Verdüsung
erzielt wird. Um diesen Nennmassendurchsatz zu erzielen, muß ein bestimmter
Nennvordruck in der Zuführleitung
vor der Düse
aufgebaut werden. Soll nun aber der Flüssigkeitsmassendurchsatz vergrößert werden,
so muß hierzu
der Vordruck in der Zuführleitung
erhöht
werden. Soll umgekehrt der Wassermassendurchsatz vermindert werden,
so wäre
der Vordruck zu vermindern. In beiden Fällen läßt sich infolgedessen keine
optimale Verdüsung des
Wassers mehr erzielen. Insbesondere wenn Nennmassendurchsatz und
realer Massendurchsatz weit voneinander abweichen, erfolgt die Verdüsung nicht
zufriedenstellend.
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Um
hier abzuhelfen werden gemäss
dem Stand der Technik häufig
mehrere Düsenträger oder Düsenrohre
installiert und je nach Bedarf an einzudüsendem Wassermassenstrom einzelne
Düsenträger oder
Düsenrohre
hinzugeschaltet oder abgeschaltet. Die Eindüsung erfolgt hierbei ortsvariant.
Eine gleichbleibende Verteilung der Eindüsung über den Querschnitt des Strömungskanals
ist somit hier nicht gewährleistet.
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Auch
ist die Verwendung von mehreren Düsenrohren mit Düsen unterschiedlichen
Durchmessers bekannt. Je nach gewünschtem Flüssigkeitsmassendurchsatz werden
zur Verdüsung
der Flüssigkeit
jeweils diejenigen Düsenrohre
eingesetzt, die den benötigten
Wassermassendurchsatz bei einem für die Verdüsung optimalen Vordruck liefern.
Die hierzu in dem Zuströmkanal
des Verdichters anzuordnenden Düsenrohre
führen
aber zu einer höheren Versperrung
des Strömungskanals.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes
der Technik vermeidet. Insbesondere soll die Eindüsungsvorrichtung
eine kontinuierliche Eindüsung
einer Flüssigkeit,
speziell von Wasser, in eine Strömung
zu ermöglichen,
wobei der Massendurchsatz der einzudüsenden Flüssigkeit über einen großen Bereich
variabel sein soll. Über
den gesamten Massendurchsatzbereich soll eine hohe Verdüsungsqualität gewährleistet
sein. Ein die Strömung
führender Strömungskanal
soll hierbei möglichst
gering versperrt werden. Ferner soll die Eindüsung praktisch ortsinvariant
erfolgen.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß unter
Verwendung des Düsenträgers gemäß Anspruch
1 sowie durch die Eindüsungsvorrichtung
gemäss
Anspruch 20 und eine Gasturbinenanlage gemäß einem der Ansprüche 21 oder
22 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in
den Unteransprüchen.
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Der
erfindungsgemäße Düsenträger zur
kontinuierlichen Eindüsung
einer Flüssigkeit
in eine Strömung
umfasst einen Grundkörper,
zumindest eine erste Ausströmöffnung,
zumindest eine zweite Ausströmöffnung,
eine erste Zuführleitung
sowie ferner erfindungsgemäß eine zweite
Zuführleitung.
Der Grundkörper
ist als Hohlprofil ausgeführt.
Die zumindest eine erste Ausströmöffnung steht
mit einem ersten Zerstäubungsmittel
in Fluidverbindung. Die zumindest eine zweite Ausströmöffnung steht
mit einem zweiten Zerstäubungsmittel
in Fluidverbindung. Beide Zuführleitungen
sind in dem Grundkörper
des Düsenträgers angeordnet,
wobei die erste Zuführleitung mit
der zumindest einen ersten Ausströmöffnung verbunden ist und Flüssigkeit
zu der zumindest einen ersten Ausströmöffnung zuführt. Die zweite Zuführleitung
ist mit der zumindest einen zweiten Ausströmöffnung verbunden und dient
zur Zuführung
von Flüssigkeit
zu der zumindest einen zweiten Ausströmöffnung. Die auf ein- und demselben
Düsenträger angeordneten
Ausströmöffnungen
und die mit diesen Ausströmöffnungen
kommunizierenden Zerstäubungsmittel
können
somit getrennt voneinander angesteuert und mit zu verdüsender Flüssigkeit
versorgt werden.
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Die
mit den Ausströmöffnungen
kommunizierenden Zerstäubungsmittel
sind jeweils für
einen bestimmten Flüssigkeitsmassendurchsatz,
den sogenannten Nennmassendurchsatz, ausgelegt. So können die
mit der ersten Ausströmöffnung kommunizierenden
Zerstäubungsmittel
beispielsweise für
einen großen
Massendurchsatz ausgelegt sein, während die mit der zweiten Ausströmöffnung kommunizierenden
Zerstäubungsmittel
für einen
geringen Massendurchsatz ausgelegt sind. Liegt der zu verdüsende Massendurchsatz
zwischen dem geringen und dem großen Massendurchsatz, so sind
zwar Zerstäubungsmittel
für die
Verdüsung
genau des geforderten Massendurchsatzes nicht optimiert, jedoch
kann hier die Verdüsung
mit hinreichend guter Qualität über dasjenige
Zerstäubungsmittel
erfolgen, dessen Nennmassendurchsatz näher an dem zu verdüsenden Massendurchsatz
liegt. Zudem kann, sofern ein sehr großer Massendurchsatz angefordert
wird, eine Verdüsung
von Flüssigkeit über beide
Ausströmöffnungen
und die zugehörigen
Zerstäubungsmittel gleichzeitig
erfolgen. Wird der Massendurchsatz der zu verdüsenden Flüssigkeit kontinuierlich von
einem geringen Massendurchsatz hin zu einem großen Massendurchsatz gesteigert,
so beginnt die Verdüsung
zunächst über die
zumindest eine zweite Ausströmöffnung.
Bei Erreichen eines Massendurchsatzes etwa in der Mitte zwischen
dem geringen und dem großen
Massendurchsatz wird dann die Verdüsung über die zumindest eine zweite
Ausströmöffnung auf
eine Verdüsung über die zumindest
eine erste Ausströmöffnung umgeschaltet.
Hierzu wird die Zuführung
von Flüssigkeit über die
zweite Zuführleitung
gestoppt und eine Zuführung
von Flüssigkeit über die
erste Zuführleitung
gestartet.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung zweier
Ausströmöffnungen,
die von getrennten Zuführleitungen
mit Flüssigkeit
versorgt werden und jeweils mit Zerstäubungsmitteln in Fluidverbindung
stehen, kann somit über
ein und denselben Düsenträger eine
kontinuierliche Eindüsung
eines in einem weiten Bereich variablen Flüssigkeitsmassenstroms mit über den
gesamten Bereich sehr guter Verdüsungsqualität erfolgen.
Der erfindungsgemäße Düsenträger versperrt
hierbei einen die Strömung
führenden Strömungskanal
nur gering. Insbesondere müssen im
Vergleich zum Stand der Technik eine geringere Anzahl Düsenträger in dem
Strömungskanal
angeordnet werden, um den Flüssigkeitsmassenstrom
im gewünschten
Verstellbereich variieren zu können. Ferner
ist durch die Anordnung der Ausströmöffnungen in einem Düsenträger eine
in der Praxis ortsinvariante Eindüsung der Flüssigkeit in einem deutlich grösseren Flüssigkeitsmassenstrombereich
möglich.
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Der
erfindungsgemäße Düsenträger eignet sich
insbesondere zur kontinuierlichen Eindüsung von Wasser in die Zuströmung einer
luftatmenden Wärmekraftmaschine,
insbesondere in eine Verdichterströmung einer Gasturbinenanlage.
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In
den meisten Anwendungsfällen
ist es zweckmäßig, eine
Vielzahl erster Ausströmöffnungen sowie
eine Vielzahl zweiter Ausströmöffnungen
in dem Grundkörper
vorzusehen. Jede erste Ausströmöffnungen
steht mit je einem ersten Zerstäubungsmittel
in Fluidverbindung und jede zweite Ausströmöffnungen mit je einem zweiten
Zerstäubungsmittel.
Die ersten Ausströmöffnungen
kommunizieren zur Zuführung
von Flüssigkeit
hierbei mit der ersten Zuführleitung
und die zweiten Ausströmöffnungen
mit der zweiten Zuführleitung.
Somit kann die Vielzahl erster Ausströmöffnungen getrennt von der Vielzahl
zweiter Ausströmöffnungen
mit Flüssigkeit
beaufschlagt werden. Eine Verdüsung
einer Flüssigkeit
kann hier somit entweder über
die ersten Zerstäubungsmittel oder
die zweiten Zerstäubungsmittel
oder über
alle Zerstäubungsmittel
oder Ausströmöffnungen
gemeinsam erfolgen.
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Die
Zerstäubungsmittel
sind vorzugsweise als Düsen
ausgebildet. Die ersten Zerstäubungsmittel
bilden somit eine erste Düsengruppe
und die zweiten Zerstäubungsmittel
eine zweite Düsengruppe.
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Die
Düsen können zweckmäßig als
Druckzerstäuberdüsen ausgeführt sein.
Es können
aber auch hilfsmedienunterstützte
Zerstäubungsdüsen, wie
beispielsweise luftunterstützte
Zerstäuberdüsen, sog.
Airblast-Atomizer, zum Einsatz kommen.
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Besonders
zweckmäßig sind
die Düsen
in die jeweiligen Ausströmöffnungen
integriert angeordnet. Die Düsen,
die auch nur als Düsenblenden
ausgeführt
sein können,
sind hierzu vorteilhaft in die Ausströmöffnungen eingeschraubt oder
in die Ausströmöffnungen
eingeschweißt.
Alternativ können
die Düsen
aber auch auf die Ausströmöffnungen
aufgesetzt angeordnet sein, beispielsweise in einer auf die Ausströmöffnungen
aufgeschraubten Anordnung.
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Vorteilhaft
schließen
die Düsen
hierbei bündig
mit den Ausströmöffnungen
ab.
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In
einer sehr einfachen, zweckmäßigen Ausführungsform
der Erfindung bildet ein Austrittsquerschnitt der Ausströmöffnung das
Zerstäubungsmittel. Der
Austrittsquerschnitt wirkt hier als Druckzerstäuberdüse. Ein durch den Austrittsquerschnitt
austretender Flüssigkeitsstrahl
weitet sich nach dem Durchtritt auf, was zu einer Zerstäubung führt. Eine solche
sehr einfache Ausführungsform
der Erfindung eignet sich aber nur bei geringen Anforderungen an die
Genauigkeit der eingedüsten
Flüssigkeitsmenge bei
gleichzeitig verhältnismäßig hohen
Flüssigkeitsmassendurchsätzen.
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Vorzugsweise
ist in dem als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper des Düsenträgers ein zweites Hohlprofil
mit einem Querschnitt, der kleiner ist als der Querschnitt des Grundkörpers, angeordnet. Ein
Zwischenraum zwischen dem Grundkörper
und dem zweiten Hohlprofil bildet dann die erste Zuführleitung
und ein Innenraum des zweiten Hohlprofils die zweite Zuführleitung.
Durch diese Anordnung wird der zur Verfügung stehende Bauraum des Grundkörpers für die Anordnung
der Zuführleitungen
optimal genutzt.
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Als
Grundkörper
des Düsenträgers wird
bevorzugt ein Mantelrohr verwendet. Zur Optimierung der Umströmung und
Minimierung der Versperrung ist das Mantelrohr vorzugsweise mit
einem elliptischen Querschnitt ausgeführt. Als zweites Hohlprofil wird
bevorzugt ein Innenrohr verwendet, das vorzugsweise einen zu dem
Querschnitt des Grundkörpers
geometrisch ähnlichen,
jedoch kleineren Querschnitt aufweist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung der
Erfindung ist das zweite Hohlprofil in dem Grundkörper koaxial
zu dem als Hohlprofil ausgeführten Grundkörper angeordnet.
Hierdurch ergibt sich sowohl für
die erste Zuführleitung
als auch für
die zweite Zuführleitung
eine gleichmäßige Umfangsverteilung
der in der jeweiligen Zuführleitung
geführten Flüssigkeit.
Die Zuführung
der Flüssigkeit
zu den Düsen
erfolgt somit gleichmäßig unabhängig von
der Anordnung der Düsen
am Umfang.
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Zweckmäßig ist
der Nennmassendurchsatz eines jeden ersten Zerstäubungsmittels 50%–150%, bevorzugt
80%–120%
und besonders bevorzugt 100%–60%
größer ist
als der Nennmassendurchsatz eines jeden zweiten Zerstäubungsmittels.
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In
den meisten Anwendungsfällen
wird der Düsenträger eine
Vielzahl von ersten und zweiten Ausströmöffnungen umfassen. Vorzugsweise
sind alle Ausströmöffnungen
in Längsrichtung
des Düsenträgers in
Reihe zueinander angeordnet. Bei einer sehr hohen Anzahl von Ausströmöffnungen
in einem Düsenträger kann
es auch zweckmäßig sein,
die Ausströmöffnungen
in mehreren Reihen in Längsrichtung
des Düsenträgers anzuordnen.
Erfolgt die Anordnung der Ausströmöffnungen
in Reihe zueinander und sind die Zerstäubungsmittel in die jeweiligen
Austrittsöffnungen
integriert angeordnet, so kann der Düsenträger sehr schlank ausgeführt werden
und verursacht beim Einbau in einen Strömungskanal eine nur geringe
Versperrung des Strömungskanals.
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Um
eine weitgehende Ortsinvarianz der Eindüsung zu erzielen, ist es besonders
zweckmäßig, die
ersten und zweiten Ausströmöffnungen
und die zugehörigen
Zerstäubungsmittel
alternierend anzuordnen.
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Die
ersten und zweiten Ausströmöffnungen können aber
auch zweckmäßig so angeordnet
sein, daß nach
einer ersten Ausströmöffnung und
den zugehörigen Zerstäubungsmitteln
mehrere, vorzugsweise zwei zweite Ausströmöffnungen mit zugehörigen Zerstäubungsmitteln
folgen.
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Üblicherweise
wird der Düsenträger in einem Strömungskanal
eines Verdichters im wesentlichen lotrecht zu einer Durchströmrichtung
des Strömungskanals
angeordnet. Hierbei werden gemäss
einer Ausführungsform
die Zerstäubungsmittel
auf einer der Durchströmrichtung
zugewandten Seite des Düsenträgers angeordnet.
Die Eindüsung
von Wasser erfolgt somit in Gegenstromanordnung; wodurch eine sehr
gute Zerstäubung
des eingedüsten
Wassers erzielt wird.
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Alternativ
kann es aber auch zweckmäßig sein,
die Ausströmöffnungen
auf einer Seite des Düsenträgers anzuordnen,
die sich im wesentlichen parallel zu der Durchströmrichtung
erstreckt. Hierdurch wird eine Quereindüsung des Wassers in die Strömung erzielt.
Die Zerstäubungsmittel
können
hierbei vorteilhaft aber auch auf zwei, einander gegenüberliegenden
Seiten des Düsenträgers, die
sich im wesentlichen parallel zu der Durchströmrichtung erstrecken, angeordnet
sein.
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In
einer weiteren Alternative kann jedoch auch eine Anordnung der Zerstäubungsmittel
auf der strömungsabgewandten
Seite zur Gleichstromeindüsung
sinnvoll sein.
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Vorteilhaft
sind die ersten Ausströmöffnungen
jeweils als eine in dem Grundkörper
angeordnete Öffnung
ausgebildet. Die zweiten Ausströmöffnungen
umfassen zweckmäßig jeweils
eine Öffnung
in der zweiten Zuführleitung,
eine Öffnung
in dem Grundkörper
sowie ein Verbindungselement. Das Verbindungselement ist zur Leitung
der Flüssigkeit innen
hohl ausgeführt
und verbindet die Öffnung
in der zweiten Zuführleitung
mit der Öffnung
in dem Grundkörper.
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In
einer besonders zweckmäßigen und
in der Fertigung kostengünstig
herzustellenden Ausführung der
Erfindung sind die Öffnungen
Bohrungen, die in dem Grundkörper
sowie in dem zweiten Hohlprofil angeordnet sind. Die in dem Grundkörper angebrachten
Bohrungen sind vorteilhaft alle mit gleichen Bohrungsdurchmessern
ausgeführt.
Die Verbindungselemente der zweiten Ausströmöffnungen sind ferner zweckmäßig Reduzierhülsen mit
vorzugsweise zylinderförmigem
Verlauf. Vorteilhaft sind die Reduzierhülsen jeweils mit einem ersten
Ende in die in dem Grundkörper
angebrachte Bohrung der jeweiligen Ausströmöffnung eingefügt. Die
Außendurchmesser
der Reduzierhülsen
sind hierzu jeweils gleich dem Bohrungsdurchmesser der in dem Grundkörper angebrachten
Bohrung der jeweiligen Ausströmöffnung ausgeführt.
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Vorteilhaft
sind auch die Bohrungsdurchmesser der in der zweiten Zuführleitung
angeordneten Bohrungen der zweiten Ausströmöffnungen gleich den Bohrungsdurchmessern
der Bohrungen der zweiten Ausströmöffnungen
in dem Grundkörper.
Die Reduzierhülsen
sind zweckmäßig zylinderförmig ausgeführt und
jeweils mit dem zweiten Ende in die in der zweiten Zuführleitung
angeordneten Bohrungen eingefügt.
Der Aufbau des Düsenträgers ist
somit modular. Die Bauteile können
demgemäss
einzeln vorgefertigt und anschließend zusammengefügt werden.
Die Herstellung des so ausgeführten,
erfindungsgemäßen Düsenträgers ist
einfach und kostengünstig.
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Zweckmäßig wird
die erste Zuführleitung über eine
erste Versorgungsleitung und die zweite Zuführleitung über eine zweite Versorgungsleitung mit
Flüssigkeit
versorgt. Besonders vorteilhaft werden beide Versorgungsleitungen
wiederum von einer gemeinsamen Pumpe mit Flüssigkeit versorgt. Zur Regelung
der Zuströmung
der Flüssigkeit
zu den Zuführleitungen
ist vorteilhaft jeweils ein Absperr- und/oder Drosselorgan in den
Versorgungsleitungen angeordnet.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum kontinuierlichen,
massenstromvariablen Eindüsen
einer Flüssigkeit
in eine Strömung über eine
von mindestens zwei Düsengruppen
eines Düsenträgers zur
Verfügung.
Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere zum kontinuierlichen Betreiben des erfindungsgemäßen Düsenträgers.
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Gemäß dem Verfahren
wird bei einem Flüssigkeitsmassenstrom
unterhalb eines Massenstromgrenzwertes die Flüssigkeit über eine zweite Zuführleitung,
die mit den Düsen
einer zweiten Düsengruppe
kommuniziert, zugeführt.
Die Flüssigkeit
wird somit bei einem Flüssigkeitsmassenstrom
unterhalb des Massenstromgrenzwertes über die Düsen der zweiten Düsengruppe
in die Strömung
eingedüst.
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Bei Überschreiten
des Massenstromgrenzwertes wird die Zuführung der Flüssigkeit über die zweite
Zuführleitung
jedoch beendet und gleichzeitig eine Zuführung der Flüssigkeit über eine
erste Zuführleitung,
die mit den Düsen
einer ersten Düsengruppe
kommuniziert, gestartet. Bei einem Flüssigkeitsmassenstrom oberhalb
des Massenstromgrenzwertes wird somit die Flüssigkeit über die Düsen der ersten Düsengruppe
in die Strömung
eingedüst.
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Bei
einer noch weiteren Erhöhung
des Massenstroms über
einen maximalen Massengrenzwert der Düsen der ersten Düsengruppe
können
dann auch wieder die Düsen
der zweiten Düsengruppe hinzugeschaltet
werden.
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Zweckmäßig wird
bei Verminderung des Flüssigkeitsmassenstroms
unter den Massenstromgrenzwert die Zuführung der Flüssigkeit
wieder von der ersten Zuführleitung
auf die zweite Zuführleitung umgeschaltet.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erste Ausfügrungsform
des erfindungsgemäßen Düsenträgers mitsamt
Versorgungsleitungen;
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2 eine
Untersicht auf den Düsenträger aus 1;
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3 eine
Untersicht auf eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Düsenträgers;
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4 einen
Ausschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Düsenträgers mit eingeschraubten Düsen;
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5 in
einer schematischen Darstellung eine Gasturbinenanlage mit einer
Eindüsungsvorrichtung
mit erfindungsgemäßem Düsenträger.
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In
den Figuren sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente und Bauteile dargestellt.
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Gleiche
oder gleichwirkende Bauteile sind weitgehend mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Düsenträgers 1 dargestellt. 2 zeigt
eine andere Ansicht des in 1 dargestellten
Düsenträgers 1.
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Der
beispielhaft dargestellte Düsenträger 1 umfaßt neben
einem als Grundkörper
ausgeführten Mantelrohr 10 ein
Innenrohr 11, das vorliegend koaxial in dem das Mantelrohr 10 angeordnet
ist. Sowohl das Mantelrohr 10 als auch das Innenrohr 11 sind hier
als dünnwandige
Hohlprofile mit gleichförmigen, jeweils
runden Querschnitten ausgeführt.
Der Querschnitt des Innenrohrs 11 ist mit nur etwa 25%–30 % der
Querschnittsfläche
des Mantelrohrs 10 deutlich kleiner als der Querschnitt
des Mantelrohrs 10.
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Zwischen
dem Mantelrohr 10 und dem Innenrohr 11 verbleibt
somit, wie in 1 zu erkennen ist, ein hohlzylinderförmiger Zwischenraum,
der die erste Zuführleitung 12 bildet.
Ferner bildet der Innenraum des hohl ausgeführten Innenrohrs die zweite Zuführleitung 13.
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In
dem hier dargestellten Düsenträger sind des
weiteren insgesamt fünf
Ausströmöffnungen 20a, 20b, 20c, 30a, 30b angeordnet.
Drei der fünf Ausströmöffnungen
sind als erste Ausströmöffnungen 20a, 20b, 20c,
zwei der fünf
Ausströmöffnungen als
zweite Ausströmöffnungen 30a, 30b ausgeführt. Die
drei ersten Ausströmöffnungen 20a, 20b, 20c umfassen
jeweils lediglich eine in dem Mantelrohr vorgesehene Bohrung 21a, 21b, 21c.
Die beiden zweiten Ausströmöffnungen 30a, 30b umfassen
jeweils eine Bohrung 32a, 32b in dem Innenrohr
und eine Bohrung 31a, 31a in dem Mantelrohr sowie
eine diese beiden Bohrungen verbindende Reduzierhülse 33a, 33b.
Die im Mantelrohr angebrachten Bohrungen 21a, 21b, 21c und 31a, 31b als
auch die in dem Innenrohr angebrachten Bohrungen 32a, 32b sind, wie
in 2 dargestellt, in dem hier dargestellten Düsenträger jeweils
mit gleichen Durchmessern D1 ausgeführt. Weiterhin sind die zylindrisch
ausgeführten Reduzierhülsen 33a und 33b jeweils
in die beiden Bohrungen der jeweiligen zweiten Ausströmöffnung eingefügt. Der
lichte Innendurchmesser der Reduzierhülsen 33a und 33b beträgt D2.
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Die
in dem Innenrohr und dem Mantelrohr angebrachten Bohrungen können aber
auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Reduzierhülsen sind
dann kegelstumpfförmig.
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Die
Reduzierhülsen 33a, 33b ragen
in der hier dargestellten Ausführung
ferner jeweils leicht in den Innenraum des Innenrohrs 11 hinein.
Auf der Außenseite
des Mantelrohrs 10 schließen die Reduzierhülsen 33a, 33b bündig mit
der Außenwand
des Mantelrohrs ab.
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Die
Reduzierhülsen 33a, 33b fungieren
somit jeweils als Verbindungsleitungen zwischen den jeweiligen Bohrungen 31a und 32a bzw. 31b und 32b.
Demgemäss
sind der Innenraum des Innenrohrs und der zwischen dem Innenrohr
und dem Mantelrohr gebildete Zwischenraum voneinander vollkommen
fluidisoliert.
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In
jede der fünf
in 1 dargestellten Ausströmöffnungen ist jeweils im Austrittsbereich
in integrierter Anordnung eine Düsenblende 22a, 22b, 22c, 34a, 34b als
Zerstäubungsmittel
in die jeweilige Ausströmöffnung 20a, 20b, 20c, 30a, 30b eingefügt. Die Düsenblenden
sind hier als Lochkreisscheiben ausgeführt und in die Ausströmöffnungen
eingeschweißt.
Die Reduzierhülsen 33a, 33b der
zweiten Ausströmöffnungen 30a, 30b können mit
den Düsenblenden
auch einteilig gefertigt sein. Oftmals ist es erforderlich, das
Material um die Lochkreise zu härten, um
eine zu hohe Materialerosion der Lochkreise zu verhindern. Üblicherweise
liegen die Lochkreisdurchmesser im Bereich von einem Zehntel Millimeter
oder von wenigen Zehntel Millimetern. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 und 2 sind
die Lochkreisdurchmesser D3 der in die ersten Ausströmöffnungen
integrierten Düsenblenden 22a, 22b, 22c jeweils
40% größer als
die Lochkreisdurchmesser D4 der in die zweiten Ausströmöffnungen
integrierten Düsenblenden 34a, 34b.
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Die
Düsenblenden 22a, 22b, 22c, 34a, 34b sind
in ihrer Funktion einfach ausgeführte
Düsen.
Die in die ersten Ausströmöffnungen
integrierten Düsenblenden 22a, 22b, 22c bilden
somit die Düsen
einer ersten Düsengruppe,
die in die zweiten Ausströmöffnungen
integrierten Düsenblenden 34a, 34b die
Düsen einer
zweiten Düsengruppe.
Wie in den 1 und 2 zu erkennen
ist, ist jeweils zwischen zwei Düsenblenden 22a und 22b bzw. 22b und 22c der ersten
Düsengruppe
eine Düsenblende 34a oder 34b der
zweiten Düsengruppe
angeordnet.
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Die
hier dargestellten Düsen
bzw. Düsenblenden
sind somit als Druckzerstäuberdüsen ausgeführt. Bei
Druckzerstäuberdüsen wird
die zu verdüsende
Flüssigkeit
unter Druck durch die Düsen
gepresst. Beim Austritt aus der Düse weitet sich der Flüssigkeitsstrahl
dann schlagartig auf, wodurch es zu einem Aufplatzen des Flüssigkeitsstrahls
und einer Zerstäubung
der Flüssigkeit
kommt.
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Durch
die Wahl der Lochkreisdurchmesser D3 und D4 der Düsenblenden
ergibt sich somit für jede
Düse der
drei Düsen
bzw. Düsenblenden 22a, 22b, 22c der
ersten Düsengruppe
eine größere effektive
Düsenaustrittsflächen als
für die
Düsen bzw.
Düsenblenden 34a, 34b der
zweiten Düsengruppe. Durch
die zusätzlich
höhere
Anzahl der Düsen
der ersten Düsengruppe
im Vergleich zu den Düsen
der zweiten Düsengruppe
ergibt sich somit insgesamt eine deutlich größere effektive Gesamtdüsenaustrittsfläche der
Düsen der
ersten Düsengruppe
im Vergleich zu den Düsen
der zweiten Düsengruppe. Demgemäß kann über die
Düsen der
ersten Düsengruppe
ein größerer Massenstrom
verdüst
werden als über
die Düsen
der zweiten Düsengruppe.
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Durch
die Trennung der Zuführleitungen 12 und 13 können die
ersten und zweiten Ausströmöffnungen
und somit die ersten und zweiten Düsengruppen getrennt voneinander
und jeweils mit individuellem Vordruck mit Flüssigkeit beaufschlagt werden. Hierzu
wird die erste Zuführleitung 12 über eine
erste Versorgungsleitung 40 und die zweite Zuführleitung 13 über eine
zweite Versorgungsleitung 41 mit Flüssigkeit versorgt, wobei die
beiden Versorgungsleitungen wiederum an eine gemeinsame Pumpe 46 angeschlossen
sind. Um die Zuführleitungen
individuell versorgen zu können,
ist in jeder Versorgungsleitung jeweils ein Absperr- und/oder Drosselorgan 42 bzw. 43 angeordnet,
das stufenlos verstellt und auch vollständig geschlossen werden kann.
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Der
in 1 dargestellte, erfindungsgemäß ausgeführte Düsenträger 1 kann beispielsweise
in einer Gasturbinenanlage mit einem Verdichter und einer Eindüsungsvorrichtung
zur Eindüsung
von Wasser in die Strömung
des Verdichters eingesetzt werden.
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Soll
nun beispielsweise im unteren Teillastbetrieb des Verdichters ein
nur geringer Wassermassendurchsatz über den in 1 dargestellten
Düsenträger 1 in
die Verdichterströmung
eingedüst
werden, so wird die Verdüsung
des Wassers über
die zweiten Ausströmöffnungen 30a,
und 30b und die zugehörigen
Düsen bzw.
Düsenblenden 34a und 34b der zweiten
Düsengruppe
vorgenommen. Hierzu wird die zweite Zuführleitung 13 mit Wasser
versorgt und der Vordruck in der zweiten Zuführleitung 13 auf einen Wert
eingeregelt, der eine gute Verdüsung über die Düsen 34a und 34b der
zweiten Düsengruppe
erzielt.
-
Zur
Erhöhung
des durchgesetzten Massenstroms wird zunächst der Vordruck in der zweiten
Zuführleitung 13 erhöht, so daß mehr Massendurchsatz über die
Düsen 34a und 34b der
zweiten Düsengruppe
verdüst
wird. Soll ein noch höherer
Wassermassendurchsatz verdüst
werden, so wird bei dem erfindungsgemäß ausgeführten Düsenträger 1 die Verdüsung über die
Düsen 34a, 34b der
zweiten Düsengruppe
auf eine Verdüsung über die
ersten Ausströmöffnungen
und die zugehörigen
Düsen bzw.
Düsenblenden 22a, 22b und 22c der
ersten Düsengruppe
umgeschaltet. Hierzu wird das in der zweiten Zuführleitung 41 angeordnete
Absperr- und/oder
Drosselorgan 43 geschlossen und das in der ersten Zuführleitung 40 angeordnete
Absperr- und/oder Drosselorgan 42 entsprechend dem gewünschten
Massendurchsatz geöffnet.
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Soll
ein noch höherer
Wassermassendurchsatz verdüst
werden, so ist es auch möglich,
eine Verdüsung über beide
Düsengruppen
gleichzeitig vorzunehmen.
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Mit
dem in 1 dargestellten Düsenträger ist es somit möglich, einen über einen
großen
Massenstrombereich veränderlichen
Wassermassenstrom kontinuierlich und aufgrund einer geringen Flüssigkeitsvordruck-Variation
mit guter Verdüsungsqualität zu verdüsen. Die
Verdüsung
erfolgt hierbei praktisch ortsfest.
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3 zeigt
eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Düsenträgers 1.
Auch hier sind als Zerstäubungsmittel
Düsenblenden 22a, 22b, 22c und 34a, 34b, 34c und 34d in
die Ausströmöffnungen
eingeschweißt.
Die Düsenblenden
stellen somit auch hier einfach ausgeführte Düsen dar. Im Unterschied zu
dem in 1 dargestellten Düsenträger sind hier zwischen zwei
Düsen einer ersten
Düsengruppe 22a und 22b bzw. 22b und 22c jeweils
zwei Düsen
einer zweiten Düsengruppe 34a und 34b bzw. 34c und 34d angeordnet.
[1: 1-1-1 (1. Zahl: Anzahl der Düsen der
ersten Düsengruppe, 2.
Zahl: Anzahl der Düsen
der zweiten Düsengruppe, 3.
Zahl: Anzahl der Düsen
der ersten Düsengruppe, usw.); 3:
1-2-1] Es ist auch möglich,
andere Gruppierungen der Düsen
vorzusehen, beispielsweise in der Reihenfolge 1-2-1-1-1. Die Düsen sowohl der
ersten als auch der zweiten Düsengruppe
können hierbei
untereinander auch unterschiedliche Lochkreisdurchmesser aufweisen.
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In
den 1 bis 3 sind jeweils Druckzerstäuberdüsen dargestellt.
Im Rahmen der Erfindung können
als Zerstäubungsmittel
aber ebenso auch hilfsmedienunterstützte, insbesondere luftunterstützte, Zerstäuberdüsen, sogenannte
Airblast-Atomizer, verwendet werden.
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4 zeigt
einen Ausschnitt eines weiteren erfindungsgemäß ausgeführten Düsenträgers 1. Im Gegensatz
zu dem Düsenträger aus 1 sind
hier als Zerstäubungsmittel
keine Düsenblenden
in die Ausströmöffnungen
eingeschweißt.
Im Falle der ersten Ausströmöffnung 20 ist
hier stattdessen ein einschraubbarer Düsenkörper 22 in die Ausströmöffnung 20 eingeschraubt.
Im Falle der zweiten Ausströmöffnung kommt
hier ein auf die Reduzierhülse aufschraubbarer
Düsenkörper 34 zur
Anwendung. Die Reduzierhülse
ist hierfür
so ausgeführt,
daß sie um
eine gewisse Länge über das
Mantelrohr nach außen
hinausragt und hier ein Gewinde 37 zur Aufnahme des aufschraubbaren
Düsenkörpers 34 vorgesehen
ist.
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5 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Gasturbinenanlage 100 mit
einer Eindüsungsvorrichtung,
die einen erfindungsgemäßen Düsenträger 1 umfaßt.
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Die
Gasturbinenanlage 100 umfaßt einen Verdichter 110,
einen an den Verdichter angeschlossenen Generator 111,
eine Brennkammer 115, eine Turbine 120 sowie einen
Abgaswärmetauscher 125. Der
Abgaswärmetauscher 125 ist
optional, d.h. er kann je nach Ausführung der Gasturbinenanlage auch
entfallen. Der Lufteintritt ist in 5 mit 106,
der Abgasaustritt mit 130 gekennzeichnet. Stromauf des Verdichters 110 ist
in der in 3 dargestellten Gasturbinenanlage 100 ein
Zuströmkanal 105 mit
einer Eindüsungsvorrichtung
zur Eindüsung
von Wasser in die Verdichtereintrittsströmung angeordnet. Die Eindüsungsvorrichtung
umfaßt
wenigstens einen erfindungsgemäß ausgeführten Düsenträger 1.
Der Düsenträger kann
auch als Düsenring
mit einer größeren Anzahl
von Düsen
ausgeführt
sein.
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Ferner
sind in 5 auch die Versorgungsleitungen 40, 41, 45 des
Düsenträgers mitsamt
den Drosselorganen 42, 43 dargestellt. Die Versorgungsleitungen
werden von einer gemeinsamen Pumpe 46 mit Flüssigkeit
versorgt. Die Pumpe 46 wiederum ist über eine Zuleitung mit einem
Wasservorratstank und/oder einer Wasseraufbereitungsanlage verbunden.
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Alle
Stellorgane 42, 43 werden über Steuerleitungen von einer
zentralen Steuerungseinheit 90 gesteuert.
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Die
Funktionsweise des in 5 dargestellten Düsenträgers entspricht
den Ausführungen
zu den 1 bis 3.
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- 1
- Düsenträger
- 10
- Mantelrohr
- 11
- Pumpe
- 12
- Vorratsbehlter
- 13
- Zuführleitung
- 20,
20a, 20b, 20c
- erste
Ausströmöffnung
- 21a,
21b, 21c
- Bohrung
- 22
- einschraubbarer
Düsenkörper
- 22a,
22b, 22c
- Düse/Düsenblende
- 23,
23a, 23b, 23c
- Lochkreis
- 30,
30a, 30b, 30c, 30d
- zweite
Ausströmöffnung
- 31a,
31b
- Bohrung
- 32a,
32b
- Bohrung
- 33,
33a, 33b
- Reduzierhülse
- 34
- aufschraubbarer
Düsenkörper
- 34a,
34b, 34c, 34d
- Düse/Düsenblende
- 35,
35a, 35b, 35c, 35d
- Lochkreis
- 37
- Gewinde
- 40
- erste
Versorgungsleitung
- 41
- zweite
Versorgungsleitung
- 42,
43
- Drosselorgan
- 45
- gemeinsame
Zuführleitung
- 46
- Pumpe
- 90
- Steuerungseinheit
- 100
- Gasturbinenanlage
- 105
- Zuströmkanal
- 106
- Lufteintritt
- 110
- Verdichter
- 111
- Generator
- 115
- Brennkammer
- 120
- Turbine
- 125
- Abgaswärmetauscher
- 130
- Abgasaustritt
- D1
- Bohrungsdurchmesser
- D2
- Innendurchmesser
der Reduzierhülse
- D3, D4
- Lochkreisdurchmesser