DE19512645A1 - Vorrichtung zur Kraftstoffaufbereitung für eine Brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftstoff­ aufbereitung für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinen-Brennkammer, mit zwei Mischerschalen, die voneinander beabstandet im wesentlichen in Form eines Kegels angeordnet sind, und auf deren Außenwände Kraft­ stoff aufgetragen wird, der von einer ebenfalls auf die Mischerschalen auftreffenden und stromab derselben vier Wirbelzöpfe bildenden Luftströmung mitgerissen werden.

Eine derartige Vorrichtung ist in der nicht vorveröffent­ lichten PCT-Anmeldung mit der Anmeldenummer EP95/00401 beschrieben. Dabei enthalten die stromab dieser vorbe­ schriebenen Doppelschalendüse sich einstellenden Wir­ belzöpfe Kraftstofftropfen mit einer für Luftzerstäuber typischen Verteilung von Tropfengröße und Tropfenanzahl. Durch den Drall des sich stromab der Doppelschalendüse einstellenden Wirbelfeldes bewegen sich dabei die Kraft­ stofftropfen auf Spiralbahnen radial nach außen. Ein Schnitt des sich dabei einstellenden Gesamtstromungsfel­ des dieser Doppelschalendüse ist in Fig. 1 dargestellt. Verläßt nun ein Kraftstofftropfen einen der vier Wirbel bzw. Wirbelzöpfe 9, deren Drehsinn durch Pfeile darge­ stellt ist, und gelangt dann in das Strömungsfeld eines diagonal benachbarten Wirbels bzw. Wirbelzopfes 9, so be­ sitzt dieser Kraftstofftropfen im Moment des Eintritts in diesen anderen Wirbel verglichen mit der dort herrschen­ den Luft-Strömungsgeschwindigkeit eine sehr hohe Relativ­ geschwindigkeit. Dabei wird dieser Kraftstofftropfen deformiert und zerplatzt in mehrere kleine Tropfen.

Diesen beschriebenen Nachzerstäubungsvorgang noch weiter zu nutzen bzw. zu verbessern ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß sich an die Mischerschalen ein Mischrohr oder Vorverdampferrohr mit über seiner hänge unterschiedlichen Querschnitten an­ schließt. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind In­ halt der Unteransprüche. Dabei kann insbesondere in den Fällen, in denen das sich an die Mischerschalen an­ schließende Rohr als Vorverdampferstrecke fungiert und hierzu in diesem Vorverdampferrohr in Anwendung des in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 44 08 136 beschriebenen Kraftstoffaufbereitungs-Verfah­ rens ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt wird, eine Mischkammer anschließen, in die bevorzugt abermals über schalenförmige Strömungsleitkörper ein Mischluft­ strom eingeleitet wird.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, dabei zeigt

Fig. 2a einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstoffaufbereitungs-Vorrichtung,

Fig. 2b den Schnitt A-A aus Fig. 2a,

Fig. 3a einen möglichen Eintrittsquerschnitt des Misch­ rohres,

Fig. 3b einen ersten möglichen Austrittsquerschnitt so­ wie

Fig. 3c zwei, weitere mögliche Austrittsquerschnitte des Mischrohres.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einer sich an das Mischrohr oder Vorverdampferrohr anschließenden Mischkammer.

Mit der Bezugsziffer 1 sind zwei Mischerschalen bezeich­ net, die voneinander beabstandet im wesentlichen im Form eines Kegels angeordnet sind. Bei jeder Mischerschale handelt es sich im wesentlichen um eine spitz zulaufende Formschale von im wesentlichen kegelförmiger Gestalt, de­ ren Grundflächen-Projektion durch zumindest eine Gerade sowie eine die Endpunkte der Geraden verbindende belie­ bige Kurve, die keine signifikanten Eckpunkte besitzt, gebildet ist. Bezüglich der näheren Ausgestaltung und Funktion dieser Mischer- oder Formschalen wird auf die PCT-Anmeldung mit der Anmeldenummer EP 95/00401 verwie­ sen.

Die beiden Mischerschalen 1 sind ringförmig von einem Ge­ häuse 2 umgeben. Dieses Gehäuse 2 nimmt eine Kraftstoff­ zufuhreinrichtung 3 auf und ist ferner derart ausgebil­ det, daß neben der Kraftstoff-Zufuhreinrichtung 3 auch noch ein Luftstrom 4 auf die Mischerschalen 1 auftreffen kann. Dieser Luftstrom 4 löst den Kraftstoff, der von der Kraftstoff-Zufuhreinrichtung 3 auf die Oberflächen der Mischerschalen 1 aufgebracht wurde, von den Mischerscha­ len 1 ab und reißt diesen Kraftstoff beim Weiterströmen in ein sich an die Mischerschalen 1 anschließendes Misch­ rohr 5, das auch als Vorverdampferrohr 5 bezeichnet wird, mit.

Die Kraftstoff-Zufuhreinrichtung 3 enthält zwei Kraft­ stoffkanäle 6, über die der über eine Anschlußbohrung 7 eingebrachte Kraftstoff auf die Oberflächen der Mischer­ schalen 1 aufgebracht wird. Bei der gezeigten Kraftstoff- Zufuhreinrichtung 3 handelt es sich somit um einen sog. Kraftstoff-Filmleger, wobei jeweils ein Kraftstoffkanal 6 einer Mischerschale 1 zugeordnet ist.

Eine besonders gute Vermischung des Kraftstoffs mit dem Luftstrom 4 erfolgt in dem sich an die Mischerschalen 1 anschließenden Mischrohr 5 einerseits durch das sich bil­ dende Strömungsfeld eines Doppelschalenzerstäubers, be­ stehend aus den beiden Mischerschalen 1, wie dies bereits eingangs in Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurde. Wei­ ter gesteigert wird der gewünschte Mischprozeß von Luft und Kraftstoff dadurch, daß das Mischrohr 5 einen über seinen hänge unterschiedlichen Querschnitt besitzt. Hierzu wird auf die Fig. 3a bis 3c verwiesen. So ist in der Fig. 3a ein möglicher näherungsweise elliptischer Eintrittsquerschnitt des Mischrohres 5 direkt am Ende der Mischerschalen 1 dargestellt, während Fig. 3b einen er­ sten möglichen kreisförmigen Austrittsquerschnitt (Querschnitt 8) des Mischrohres 5 zeigt. Zwei weitere mögliche Austrittsquerschnitte 8 sind in Fig. 3c darge­ stellt, wobei abermals ein elliptischer Querschnitt, je­ doch mit einem zum Eintrittsquerschnitt umgekehrten Ver­ hältnis der Ellipsenhalbachsen vorliegen kann.

In sämtlichen Figurendarstellungen 3a bis 3c sind die vier Wirbelzöpfe 9, die durch die Mischerschalen 1 gebil­ det werden, zusammen mit dem jeweiligen Wirbeldrehsinn gezeigt. Wie ersichtlich verändert sich über der Länge des Mischrohres 5 aufgrund des sich verändernden Misch­ rohr-Querschnittes auch die Lage der Wirbelzöpfe 9, so daß die Wirbelfelder praktisch aller Wirbelzöpfe mitein­ ander in Berührung kommen können, was einen besonders in­ tensiven Mischprozeß zur Folge hat. Wie bereits eingangs erläutert werden nämlich aufgrund der hohen Ge­ schwindigkeitsunterschiede in den einzelnen Wirbelzöpfen 9 die einzelnen Kraftstofftropfen deformiert, was deren Aufplatzen bewirkt und eine feine homogene Gemischvertei­ lung zur Folge hat. Im übrigen kann aufgrund dieser Mischprozesse im Mischrohr 5 auch bereits eine teilweise Vorverdampfung des Kraftstoffes stattfinden, weshalb die­ ses Mischrohr 5 auch als Vorverdampferrohr 5 bezeichnet wird.

Neben den in den Fig. 3b, 3c gezeigten Austrittsquer­ schnitten sind selbstverständlich für das Mischrohr 5 auch verschiedene andere Querschnitte möglich, wobei über der gesamten Länge des Mischrohres 5 betrachtet mehrfache Querschnittsveränderungen realisiert sein können. Insbe­ sondere kann die Querschnittsveränderung auch mit einer Flächenveränderung einhergehen, d. h. die Querschnitts­ fläche des Mischrohres 5 kann größer oder kleiner werden, daneben aber selbstverständlich auch konstant bleiben, wenn sich dies für den jeweiligen Anwendungsfall als op­ timal erweist. Die tatsächlich zu realisierenden Quer­ schnitte bzw. Querschnittsveränderungen auch hinsichtlich der Fläche können dabei in Versuchsreihen oder mit Hilfe geeigneter Rechenprogramme auf den jeweiligen Anwendungs­ fall hin optimiert werden.

Wie bereits angedeutet kann das Mischrohr 5 auch als Vor­ verdampferrohr 5 fungieren, dies insbesondere in den Fäl­ len, in denen sich im Vorverdampferrohr 5 ein relativ fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch befindet. Dies bedeutet, daß auf die Mischerschalen 1 relativ viel Kraftstoff auf­ gebracht wurde, während der Luftstrom 4 relativ gering gehalten ist. Soll nun eine derartige sog. fette Vorver­ dampferstrecke, wie sie grundsätzlich auch in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 44 08 136 beschrieben ist, an Gasturbinen-Brennkammern, in denen ein mageres Gemisch verbrannt wird, eingesetzt werden, so muß dem aus dem Vorverdampferrohr 5 austretenden Luft- Kraftstoff-Strom weitere Verbrennungsluft beigemengt wer­ den. Dies kann in einer Mischkammer erfolgen.

Fig. 4 zeigt eine Mischkammer 10, die sich an ein Misch­ rohr 5 mit über seiner Länge unterschiedlichem Quer­ schnitt anschließt. In diese Mischkammer 10 mündet zum einen das Mischrohr bzw. Vorverdampferrohr 5 mit seinem Austrittsquerschnitt 8, daneben kann weitere Frischluft über einen Eintrittsquerschnitt 11 in die Mischkammer 10 eingeführt werden. Dieser Eintrittsquerschnitt 11 ist ge­ kennzeichnet durch zumindest einen, hier jedoch zwei Luftzerstäuber, beispielsweise in Form zweier schalenför­ miger Strömungsleitkörper 12. Diese ähnlich den Mischer­ schalen 1 ausgebildeten und ebenfalls als Wirbelschalen fungierenden Strömungsleitkörper 12 erzeugen ebenfalls Luftwirbelpaare, die in der Mischkammer 10 das aus dem Austrittsquerschnitt 8 ausströmende fette Gemisch in das Strömungsfeld der über die Eintrittsquerschnitte 11 hereinkommende Luftströmungsfeld 13 quasi einrollen. Das dabei entstehende Gemisch besitzt direkt nach dem "Einrollen" einen mageren Kern und eine fette Peripherie. Die stark drehungsbehaftete Gesamtströmung sorgt jedoch für eine rasche Homogenisierung des Gemisches. Dieses ge­ langt dann über die Austrittsebene 14 der Mischkammer 10 in eine nicht gezeigte Gasturbinen-Brennkammer. Mit die­ ser Anordnung werden die Druckverluste während der Misch- und Einströmprozesse so gering als möglich gehalten.

Üblicherweise wird die Verbrennung stromab der Aus­ trittsebene 14 stattfinden, da dort die insgesamt vier Wirbel, die durch die beiden Strömungsleitkörper 12 er­ zeugt wurden, aufplatzen. Für Betriebszustände insbeson­ dere bei hohen Drücken und Temperaturen wird jedoch eine teilweise Verbrennung in der Mischkammer 10 selbst statt­ finden. In diesem Zusammenhang ist daher sicherzustellen, daß der Austrittsquerschnitt 8 des Vorverdampferrohres 5 derart dimensioniert ist, daß kein Flammenrückschlag in dieses Vorverdampferrohr 5 hinein erfolgen kann. Dann brennt eine in der Mischkammer 10 stromab des Austritts­ querschnittes 8 brennende Flamme zunächst mit fetter Stöchiometrie. Da das heiße Gas an der Peripherie der Wirbelzöpfe des Luftströmungsfeldes 13 entsteht, führen starke Auftriebskräfte zu einer raschen Umlagerung nach innen und zu einer raschen und intensiven Mischung mit der kalten Kernluft des Luftströmungsfeldes 13, so daß die Brennzeit bei dann annähernd stöchiometrischem Ge­ misch sehr kurz ist. Dabei können auch für die Mischkam­ mer 10 ebenso wie für das Misch- oder Vorverdampferrohr 5 die jeweiligen Querschnitte im Hinblick auf die jeweili­ gen Randbedingungen optimiert werden. So sind insgesamt eine Vielzahl von Abwandlungen insbesondere konstruktiver Art von den lediglich prinzipiell gezeigten Ausführungs­ beispielen möglich, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Kraftstoffaufbereitung für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinen-Brennkam­ mer, mit zwei Mischerschalen (1), die voneinander beabstandet im wesentlichen in Form eines Kegels an­ geordnet sind, und auf deren Außenwände Kraftstoff aufgetragen wird, der von einer ebenfalls auf die Mischerschalen (1) auftreffenden und stromab dersel­ ben vier Wirbelzöpfe (9) bildenden Luftströmung mit­ gerissen wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Mischerscha­ len (1) ein Mischrohr (5) oder Vorverdampferrohr (5) mit über seiner Länge unterschiedlichen Querschnit­ ten anschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverände­ rung des Mischrohres oder Vorverdampferrohres (5) mit einer Flächenveränderung einhergeht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt des Mischrohres (5) elliptisch und der Austritts­ querschnitt (8) im wesentlichen kreisförmig oder ebenfalls im wesentlichen elliptisch, jedoch mit einem zum Eintrittsquerschnitt umgekehrten Verhält­ nis der Ellipsenhalbachsen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sich an das Mischrohr (5) eine Mischkammer (10) anschließt, in die ein Mischluftstrom (Luftströmungsfeld 13) eingeleitet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischluftstrom (13) über schalenförmige Strömungsleitkörper (12) von halbkegelförmiger Gestalt, die am Umfang des Misch­ rohr-Austrittsquerschnittes (8) angeordnet sind, in die Mischkammer (10) gelangt.