DE19854382A1

DE19854382A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffs für eine Feuerungsanlage

Info

Publication number: DE19854382A1
Application number: DE19854382A
Authority: DE
Inventors: Jakob Keller
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-05-31
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: US6360971B1; EP1564486A2; DE59911869D1; EP1004821B1; EP1564486A3; DE19854382B4; EP1004821A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffs für eine Feuerungsanlage, vorzugsweise für eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage, mit einer Düsenanordnung, durch die der flüssige Brennstoff druckbeaufschlagt hindurchtritt und zu einem Brennstoffspray zerstäubt wird. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß nach Durchtritt des Brennstoffs durch die Düsenanordnung (3, 4) wenigstens zwei, räumlich getrennte Brennstoffsprays (5, 6) gebildet werden, in denen der Brennstoff vorwiegend in Form einzelner Brennstofftröpfchen (16) vorliegt, und daß die Brennstoffsprays (5, 6) jeweils eine Ausbreitungsrichtung zueinander aufweisen, so daß die Brennstofftröpfchen (16) eines Brennstoffsprays (5) mit den Brennstofftröpfchen (16) des anderen Brennstoffsprays (6) kollidieren, so daß bei der Kollision der Brennstofftröpfchen (16) eine Tröpfchenwolke (9) mit neuen Brennstofftröpfchen (17) gebildet wird, deren Durchmesser kleiner als der der kollidierenden Brennstofftröpfchen (16) ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zerstäu bung flüssigen Brennstoffs für in eine Feuerungsanlage, vorzugsweise für eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage, mit einer Düsenanordnung, durch die der flüssige Brennstoff druckbeaufschlagt hindurchtritt und zu einem Brennstoff/Luft- Gemisch zerstäubt wird.

Stand der Technik

Neben einer Vielzahl den Wirkungsgrad einer Gasturbine bestimmenden Parame tern, die sowohl die konstruktive Auslegung aller Einzelkomponenten einer Gas turbine als auch deren Betriebsweise betreffen, spielt bei der Brennstoffverfeue rung der Zerstäubungsvorgang, bei dem der Flüssigbrennstoff zu einem möglichst homogenen Brennstoff/Luft-Gemisch zerstäubt werden soll, eine sehr entschei dende Rolle. Um die Verbrennung von Flüssigbrennstoff möglichst vollständig durchführen zu können, ist es Aufgabe der Brennstoffdüsen, den Flüssigbrennstoff in möglichst feinste Brennstofftröpfchen zu zerstäuben, um auf diese Weise eine möglichst große Brennstoffoberfläche zu erzielen.

Die einfachsten und kostengünstigsten Brennstoffzerstäuber für Flüssigbrennstoff stellen druckbeaufschlagte Brennstoffzerstäuber dar, durch die der Brennstoff un ter hohem Druck durch eine Düsenöffnung getrieben wird. Derartige, sogenannte SIMPLEX-Zerstäuberdüsen werden bei Brennkammerbetriebskonzepten mit Bren nerstufung eingesetzt und eignen sich für den gesamten Leistungsbereich einer Gasturbine, d. h. vom Zündvorgang bis hin zum Erreichen des Grundlastbetriebes. Jedoch ist der Einsatz von Brennerstufung aufgrund der hohen Anforderungen an den Zündvorgang sowie an den durchschnittlichen Temperaturdifferenzfaktor (OTDF) im Bereich des Turbineneintritts sehr stark begrenzt. So gilt für den Tem peraturdifferenzfaktor OTDF:

mit
T_MAX Maximale Temperatur am Turbineneintritt
T_H Durchschnittstemperatur am Turbineneintritt
T_C Lufttemperatur am Brennkammereintritt (vor der Verbrennung).

Als Folge hiervon werden Einstufen-Zerstäuber ausschließlich in sogenannten Silo-Brennkammern verwendet, in denen eine Brennerstufung vorgesehen ist, wo hingegen vielstufige Zerstäubereinheiten, wie luftunterstützte sowie druckluflunter stützte Zerstäuber häufig in Ring-Brennkammern eingesetzt werden.

Das der Konzeption und Auslegung von Flüssigbrennstoffzerstäuber-Einheiten zugrundeliegende Problem sind die überaus unterschiedlichen Brennstoffzufluß raten, mit denen die Zerstäubereinheiten während des Betriebes einer Gasturbi nenanlage, beginnend mit dem Zündereignis bis hin zum Erreichen des Grund lastbetriebes, versorgt werden. So sind Brennstoffzuflußraten unter typischen Zündbedingungen um den Faktor 10 bis 20 kleiner als unter Grundlastbedingun gen. Auch ist damit verbunden, daß die Druckverhältnisse innerhalb der Gasturbi nenanlage großen Änderungen unterworfen sind, die sich bis um mehr als den Faktor 100 ändern. So betragen typische Druckwerte für die Zerstäubung von Flüssigbrennstoff unter Grundlastbedingungen ca. 60 bar, wohingegen der Zer stäubungsdruck unter Zündbedingungen auf 300 bis 600 mbar absinkt, also Druckbedingungen erreicht, die den Einsatz von Zerstäuberdüsen, die für den Be trieb unter Grundlastbedingungen konzipiert sind, unmöglich macht.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffes für eine Feuerungsanlage, vorzugsweise für eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage, mit einer Düsenanordnung, durch die der flüssige Brennstoff druckbeaufschlagt hindurchtritt und zu einem Brenn stoff/Luft-Gemisch zerstäubt wird, derart anzugeben, daß trotz der vorstehend be schriebenen großen Druckunterschiede eine einzige Zerstäubungseinheit aus reicht, welche die für eine optimierte Verbrennung flüssigen Brennstoffs erforderli che Zerstäubung vornimmt. Es soll dabei auf eine an sich bekannte Vielfachabstu fung der Zerstäubereinheiten verzichtet werden. Insbesondere soll die hierfür er forderliche Zerstäubervorrichtung einen einfachen Aufbau besitzen und mit nur ge ringen Herstellkosten verbunden sein. Die Zerstäubungsrate sowie die erzielbaren Brennstofftröpfchendurchmesser sollen sowohl für den Zündvorgang als auch den Grundlastbetrieb optimal anpaßbar sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 4 sowie 6 angegeben. Anspruch 1 beschreibt ein erfindungsgemäßes Verfah ren zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffs, wohingegen die Gegenstände der Ansprüche 4 und 6 jeweils erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Brennstoffzer stäubung darstellen. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von dem Grundsatz aus, daß die minimale Tröpfchengröße, die bei einer Zerstäubung einer Flüssigkeit mit einer druckbeaufschlagten Zerstäu bereinheit erreichbar ist, durch das Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspan nung, die ein Tröpfchen in seiner sphärischen Form zusammenhält, und den aero dynamischen, von außen auf das Tröpfchen einwirkenden Kräften, die die Form des Tröpfchens zu zerstören vermögen, bestimmt wird. So dominieren bei großen Tröpfchendurchmessern die aerodynamischen Kräfte, wodurch die großen Tröpf chen nach dem Zerstäubungsvorgang regelrecht auseinandergerissen werden und in kleinere Tröpfchen zerfallen. Dieser Vorgang des Zerplatzens in kleinere Tröpfchen erfolgt solange bis die Oberflächenspannung im Verhältnis zu den aero dynamischen Kräften genügend groß wird, daß ein weiterer Zerfall in noch kleine re Brennstofftröpfchen verhindert wird. Dieser Zerfallsprozeß führt zu einem Tröpf chendurchmesser, der durch nachfolgenden Zusammenhang beschrieben werden kann:

mit
γ kinematische Oberflächenspannung
ρ_LIQUID Dichte der zerstäubten Flüssigkeit
ρ_GAS Dichte des Umgebungsgases
u² _R Relativgeschwindigkeit zwischen Tröpfchen und Umgebungsgas
C Konstante.

Aus der obenstehenden Beziehung geht hervor, daß sich der Tröpfchendurchmes ser D reziprok zum Quadrat der Relativgeschwindigkeit zwischen den zerstäubten Tröpfchen und des die Tröpfchen umgebenden Gases verhält. Ist hingegen der für den Zerstäubungsprozeß notwendige Versorgungsdruck, mit dem bspw. der Flüs sigbrennstoff der Zerstäubungsdüse zugeführt wird, begrenzt, so werden nur ge ringe Relativgeschwindigkeiten u erreicht, wodurch die Minimierung der Tröpf chengröße im Hinblick auf möglichst feinste Zerstäubung unbefriedigend ist. Dies gilt insbesondere bei Gasturbinen während ihrer Zündphase, in der der Versor gungsdruck innerhalb der Turbine relativ gering ist.

Um unter den für den Zerstäubungsprozeß schwierigen Druckbedingungen den noch eine zufriedenstellende Zerstäubung des Flüssigbrennstoffes zu erreichen, wird ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß derart weitergebildet, daß nach Durchtritt des Brennstoffes durch die als Düsen anordnung ausgebildete Zerstäubungseinheit wenigstens zwei, räumlich getrennte Brennstoffsprays gebildet werden, in denen der Brennstoff vorwiegend in Form vereinzelter Brennstofftröpfchen vorliegt. Die Brennstofftröpfchen weisen jeweils eine relative Ausbreitungsrichtung auf, so daß die Brennstofftröpfchen eines Brennstoffsprays mit den Brennstofftröpfchen des anderen Brennstoffsprays kolli dieren, so daß bei der Kollision der Brennstofftröpfchen neue Brennstofftröpfchen gebildet werden, deren Durchmesser kleiner als der der kollidierenden Brennstoff tröpfchen ist.

Im Gegensatz zu der verbreiteten Vorstellung des natürlichen Tröpfchenzerfalls durch das Wechselspiel zwischen den Oberflächenspannungen und den an den einzelnen Tröpfchen angreifenden aerodynamischen Kräften macht sich das erfin dungsgemäße Verfahren die gezielte Kollision von Brennstofftröpfchen nach ihrer Bildung im Rahmen des Zerstäubungsprozesses zunutze.

Mittels gezielter Kollision zwischen Brennstrofftröpfchen, die mit einem Zerstäu bungsdruck von ca. 500 mbar, also einem für das Zünden einer Gasturbine übli chen Druck, unter Verwendung einer einfachen Düsenanordnung gebildet werden und typische Tröpfchendurchmesser im Bereich zwischen 2 und 5 mm aufweisen, ist es möglich, kleinste Tröpfchen mit Durchmessern zwischen 10 bis 100 µm zu erhalten, die als "Bruchstücke" aus den kollidierenden Tröpfchen hervorgehen. Der auf dem Vorgang der Kollision beruhende nachgeschaltete "Zerstäubungsvor gang" in noch kleinere Tröpfchenfragmente entspricht nicht der obenstehenden Beziehung (1), da der physikalische Mechanismus, der zur Tröpfchenverkleine rung beiträgt, nicht auf dem Wechselspiel zwischen der Oberflächenspannung und der an den einzelnen Tröpfchen angreifenden aerodynamischen Kräften beruht, sondern auf der Kollision zweier Tröpfchen, die aus dem gleichen Medium, im Fal le der Zerstäubung von Brennstoff, aus einer brennbaren Flüssigkeit bestehen. Vielmehr vereinfacht sich der Formelzusammenhang (1) zu nachstehender Bezie hung:

Aufgrund des Wegfalls der Dichtefaktoren in der Formel (2) kann ein minimaler Tröpfchendurchmesser gewonnen werden, der im Vergleich zur klassischen Tröpf chenbildung gemäß Beziehung (1) um zwei bis drei Größenordnungen kleiner ist. Diese Kenntnis über die Zerstäubung von Flüssigkeit läßt sich erfindungsgemäß besonders geeignet bei der Brennstoffzerstäubung für den Einsatz in Gasturbinen anwenden, insbesondere im Hinblick auf die nur geringen Druckverhältnisse, wie sie bei der Zündphase von Gasturbinen auftreten.

Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, kleinste Brennstofftröpfchen mittels Kolli sion herzustellen, beruht zunächst auf der Bildung wenigstens zweier Brennstoff sprays, die im Rahmen herkömmlicher Zerstäubungstechniken erzeugbar sind. Die Brennstoffsprays, deren einzelne Brennstofftröpfchen typischerweise Tröpf chendurchmesser in der Größenordnung zwischen 1 und 5 mm aufweisen, sind bevorzugt von einer zweidimensionalen Sprühnebelform, deren Ausbreitungsrich tungen derart relativ zueinander eingestellt sind, daß sie sich unter einem spitzen Winkel schneiden. Im Bereich der sich gegenseitig durchdringenden Brennstoff sprays treten Kollisionen zwischen den jeweiligen Brennstofftröpfchen auf, die zu kleinsten Brennstofftröpfchenbruchstücken führen, welche bevorzugt eine Aus breitungsrichtung einnehmen, die entlang der Winkelhalbierenden, zwischen den Ausbreitungsrichtungen der miteinander in Kollision geratenen zweidimensionalen Brennstoffsprays, orientiert ist.

Die Kollisionsgeometrie ist typischerweise an die individuelle Brennkammergeo metrie von Ringbrennkammern derart angepaßt, so daß die feinsten Brennstoff tröpfchen in Richtung Brennkammer zur nachfolgenden Entzündung gelangen. Eine erfindungsgemäße Düsenanordnung, die nach dem vorstehend beschriebe nen Zerstäubungsprinzip arbeitet, sieht wenigstens zwei räumlich getrennte Dü senauslaßöffnungen vor, die derart relativ zueinander orientiert sind, daß sich die mit jeweils unterschiedlichen Richtungen ausbreitenden Brennstoffsprays in einem Bereich durchdringen, innerhalb dem die Brennstofftröpfchen aus den jeweiligen Brennstoffsprays miteinander kollidieren. So sind die Düsenauslaßöffnungen der art relativ zueinander orientiert, daß die Ausbreitungsrichtungen der aus den Dü senauslaßöffnungen austretenden Brennstoffsprays einen Winkel α einschließen, für den 0° < α < 180° gilt.

Alternativ zur Anordnung von wenigstens zwei getrennten Düsenauslaßöffnungen ist erfindungsgemäß eine Düsenanordnung mit einer Schlitzdüse vorgesehen, die über eine in sich geschlossene Schlitzdüsenöffnung verfügt. Dabei ist die Schlitz düsenöffnung vorzugsweise von einem Umlenkelement umgeben, das den aus der Schlitzdüsenöffnung austretenden Brennstoff derart umlenkt, daß der sich ausbildende Brennstoffspray konvergent in einem eng begrenzten Volumenbe reich zusammenläuft. Eine derartige Schlitzdüsenanordnung hat insbesondere den Vorteil, daß keine aufwendigen Justiermaßnahmen zu treffend sind, um die einzelnen Brennstoffsprays in einem eng begrenzten Bereich zur Kollision zu brin gen.

Auch kann die Schlitzdüsenöffnung selbst konisch ausgebildet sein, wodurch der sich ausbildende Brennstoffspray auch ohne Vorsehen diverser Umlenkelemente in einem eng begrenzten Volumenbereich zusammenläuft und dort zu den ge wünschten Kollisionsereignissen führt.

Die vorstehend beschriebenen Vorkehrungen zur Erzeugung kleinster Brennstoff tröpfchen eignen sich besonders für den Einsatz in Doppelkegelbrennern, von de nen ein bevorzugtes Beispiel aus der EP 0 321 809 B1 hervorgeht.

Diese Brennerart gilt als erfolgreicher Ausgangstyp von Brennern, die zur Beteue rung mit flüssigen Brennstoffen ausgelegt sind. Hierbei wird der flüssige Brennstoff mittels einer mittig zum Kegelhohlraum angebrachten Düsenanordnung und in Form eines sich kegelförmig ausbildenden Brennstoffsprays in das Innere der Brennkammer eingebracht. Der kegelförmige Brennstoffspray wird von einem tan gential in einen Kegelhohlraum einströmenden, rotierenden Verbrennungsluft strom umschlossen und dadurch stabilisiert. Erst im Bereich des Wirbelaufplat zens, also im Bereich der sogenannten Rückströmzone, wird die optimale, homo gene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht, so daß in diesem Be reich die Zündung des Brennstoffsprays erfolgt.

In Ergänzung zur Düsenanordnung des vorstehend beschriebenen Brenners oder aber auch anstelle der in dem bekannten Brenner verwendeten Düsenanordnung können die vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Zerstäubung von Flüssigbrennstoff eingesetzt werden, die selbst zum Zeitpunkt des Zündvorganges kleinste Brennstofftröpfchen zu erzeugen in der Lage sind.

Auf mögliche Ausführungsbeispiele und Bauvarianten wird in den nachstehenden Ausführungsbeispielen verwiesen, die zusammen mit den Figuren näher erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungs gedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich nungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a Längsschnittdarstellung durch eine an sich bekannte Brenneranord nung mit zwei Düsenauslaßöffnungen;

Fig. 1b Querschnittsdarstellung durch den Brenneraustritt einer an sich be kannten Brenneranordnung mit zwei Düsenauslaßöffnungen, durch die zwei aufgefächerte Brennstoffsprays zur Kollision auftreten;

Fig. 1c Querschnittsdarstellung wie in Fig. 1b nur mit niederdivergenten Brennstoffsprays, und

Fig. 2 Längsschnittdarstellung durch eine in sich geschlossene Schlitz düsenöffnung.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1a ist schematisiert ein aus zwei Teilkegelkörpern 1 bestehender Kegelkör per eines Brenners dargestellt, der beispielsweise aus der EP 0 321 809 B1 her vorgeht. Am Brenneraustritt 2 sind in dem in Fig. 1a dargestellten Ausführungsbei spiel zwei getrennte Düsenauslaßöffnungen 3 und 4 vorgesehen, durch die Flüs sigbrennstoff in sich jeweils fächerförmig ausbreitende Brennstoffsprays 5, 6 zer stäubt wird. Dabei weisen die Brennstoffsprays 5, 6 makroskopische Brennstoff tröpfchen 16 mit typischen Brennstofftröpfchendurchmessern zwischen 1 und 5 mm auf. Die Ausbreitungsrichtungen beider Brennstoffsprays 5, 6 sind derart orientiert, daß sie sich in einem eng begrenzten Volumenbereich 7 durchdringen. Im Volumenbereich 7 geraten die makroskopischen Brennstofftröpfchen 16 der beiden Brennstoffsprays 5, 6 in Kollision und platzen regelrecht in eine Vielzahl kleinerer Brennstofftröpfchen 17 auseinander, die typischerweise jeweils Tröpf chendurchmesser zwischen 10 und 100 µm aufweisen. Die sich bei der Kollision bildenden mikroskopischen Brennstofftröpfchen 17 breiten sich bevorzugt entlang der Winkelhalbierenden 8 relativ zu beiden Hauptausbreitungsrichtungen der Brennstoffsprays 5, 6 aus. Es bildet sich eine aus kleinsten Flüssigkeitströpfchen bestehende Tröpfchenwolke 9 aus, die innerhalb der Brennkammer zur Entzün dung zu bringen ist.

In Fig. 1b ist eine Querschnittsdarstellung durch die Tröpfchenwolke 9 in Blick richtung des Brenneraustritts 2 dargestellt. Aus den Düsenauslaßöffnungen 3, 4 treten fächerförmig die Brennstoffsprays 5, 6 aus, die in Ausbreitungsrichtung vor der Tröpfchenwolke 9 in Kollision geraten.

Die Düsenauslaßöffnungen 3, 4 können mehrfach verteilt auf dem Umfangsrand des Brenneraustritts 2 angebracht werden, um die zur Kollision bringenden Tröpf chendichte innerhalb des Volumenbereiches 7 weiter zu steigern. Insbesondere ist eine derartige Düsenanordnung in Ergänzung zu der nicht in der Fig. 1a darge stellten zentralen Düsenanordnung innerhalb des kegelförmigen Brenners vorzu sehen.

Bei der Auslegung der erfindungsgemäßen Düsenanordnung sind insbesondere zwei Gesichtspunkte zu beachten:

1. Die in Kollision geratenden Brennstoffsprays 5, 6 müssen derart zueinander orientiert sein, daß möglichst viel Kollisionsereignisse auftreten. Insbesondere ist darauf zu achten, daß sich die durch die Düsenauslaßöffnungen 3, 4 aus tretenden Brennstoffsprays 5, 6 genügend mit Luft vermischen, so daß der Brennstoff in einzelne, singuläre makroskopische Brennstofftröpfchen 16 zer fällt. Erst nach dem Zerfall in einzelne Brennstofftröpfchen 16 dürfen die sich getrennt voneinander ausbildenden Brennstoffsprays 5, 6 bzw. einzelne Berei che der Brennstoffsprays 5, 6 in Kollision geraten.
2. Die Zerstäubungsrate jeder einzelnen Düsenauslaßöffnung 3, 4 ist derart zu wählen, daß das sich ausbildende Brennstoffspray 5, 6 eine genügend große Brennstofftröpfchendichte aufweist, so daß möglichst viel Brennstofftröpfchen 16 miteinander in Kollision geraten und nicht ohne Kollisionsereignisse den Volumenbereich 7, in dem die Kollisionen auftreten, durchdringen können.

Für die beste Wechselwirkung zwischen zwei in Kollision geratenden Brennstoff tröpfchen 16 sollte die Breite eines fächerförmig ausgebildeten, zweidimensiona len Brennstoffsprays 5, das mit einem zweiten Brennstoffspray 6 in Kollision gerät, in etwa von der Größenordnung der Querschnittsfläche aller Tröpfchen pro Ein heitslänge sein, d. h., die in Kollision geratenden Brennstoffsprays 5, 6 sollten möglichst gebündelt mit geringer Strahldivergenz aufeinandertreffen, wie es im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1c dargestellt ist. Die zwei aus den Düsen auslaßöffnungen 3, 4 austretenden Brennstoffsprays 5, 6 weisen eine nur sehr geringe Strahldivergenz auf, so daß sie eng gebündelt in der Mitte des Brenner austritts 2 in Kollision geraten. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß möglichst viele Kollisionsereignisse zwischen den makroskopischen Brennstofftröpfchen 16 des einen Brennstoffsprays 5 mit den makroskopischen Brennstofftröpfchen 16 des anderen Brennstoffsprays 6 stattfinden.

Alternativ zu der Anordnung der in Fig. 1c dargestellten Düsenauslaßöffnungen 3, 4, die diametral gegenüberliegend am peripheren Umfangsrand des Brenneraus tritts 2 angebracht sind, können auch weitere Düsenauslaßöffnungen am Brenner austritt 2 angebracht werden.

Die in den Fig. 1a bis c dargestellten Düsenanordnungen müssen mit großer geo metrischer Sorgfalt räumlich zueinander angeordnet werden, so daß die aus den Düsenauslaßöffnungen 3, 4 austretenden Brennstoffsprays 5, 6 in geeigneter Wei se zueinander gerichtet sind und in Kollision geraten können.

Um den Aufwand derartiger Justieranforderungen zu vermeiden bzw. erheblich zu verringern, ist in Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Dü senanordnung in Querschnittsdarstellung zeigt, die eine in sich geschlossene Schlitzdüsenöffnung 10 aufweist. Über einen Zuführkanal 11 gelangt Flüssig brennstoff in einen Düsenkopf 13, dessen Strömungsdurchmesser sich vorzugs weise konisch aufweitet. Ein zentrisch inmitten des Düsenkopfes 13 eingebrachtes Verdrängungselement 12 begrenzt die Schlitzdüsenöffnung 10, durch die der Flüs sigbrennstoff als ein ringförmiger Brennstoffspray 14 hindurchtritt, angulär umlau fend. Einstückig mit dem Düsenkopf 13 ist ein Umlenkelement 15 verbunden, wel ches den Brennstoffspray 14 konisch nach innen gerichtet lenkt. Der Abstand zwi schen Düsenkopf 13 und dem Volumenbereich 7, in dem die durch Zerfallspro zesse gebildeten einzelnen Brennstofftröpfchen 16 in Kollision geraten, ist derart bemessen, daß sich der unmittelbar aus dem Düsenkopf 13 austretende Brenn stoffspray 14 zunächst mit der umgebenden Umluft vermischt und aufgrund sich anschließender Zerfallsprozesse einzelne singuläre Brennstofftröpfchen 17 bilden. Der Strahlverlauf des Brennstoffsprays 14 kann insbesondere durch die Neigung des Umlenkelementes 15 individuell eingestellt werden. Nach den im Volumenbe reich 7 auftretenden Kollisionen bildet sich eine Tröpfchenwolke 9 aus, in der sich Mikrotröpfchen mit den vorstehend beschriebenen kleinen Tröpfchendurchmes sern ansammeln.

Die in Fig. 2 im Querschnitt gezeigte Düsenanordnung kann abweichend von einer kreisförmigen Schlitzdüsenöffnung auch andere Schlitzaustrittsgeometrien anneh men. Beispielsweise sind auch kreissegmentartige Austrittsöffnungen denkbar, durch die wenigstens zwei getrennte Brennstoffsprays in kollidierender Weise auf einandertreffen können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist die Erzeugung kleinster Flüssigkeits tröpfchen, deren Tröpfchendurchmesser bis zu 3 Größenordnungen kleiner sind, als die mittels konventioneller Sprühtechnik erzeugten Flüssigkeitströpfchen. Dies geschieht, indem - abweichend von der konventionellen Vorgehensweise der Zer stäubung von Flüssigkeit mittels Luft - zwei Flüssigkeitströpfchen gezielt in Kolli sion gebracht werden, die wiederum in eine Vielzahl kleinster Flüssigkeitströpf chen zerplatzen. Unter Verwendung des vorstehend geschilderten Zerstäubungs prinzips ist es möglich, Brenner für Gasturbinenanlagen sowohl für die Zündphase als auch für den Grundlastbetrieb mit nur einer einzigen, einfach im Aufbau gestal teten Düsenanordnung zu versehen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, den Wirkungsgrad von Gasturbinen zu steigern, ohne dabei den kon struktiven und damit verbundenen finanziellen Aufwand zu erhöhen.

Bezugszeichenliste

1

Teilkegelkörper des Brenners

2

Brenneraustritt

3

,

4

Düsenauslaßöffnungen

5

,

6

Brennstoffspray

7

Volumenbereich

8

Winkelhalbierende

9

Tröpfchenwolke

10

Schlitzdüsenöffnung

11

Zuführkanal

12

Verdrängungselement

13

Düsenkopf

14

Brennstoffspray

15

Umlenkelement

16

Brennstofftröpfchen, makroskopisch

17

Brennstofftröpfchen, mikroskopisch

Claims

1. Verfahren zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffs für eine Feuerungsanlage, vorzugsweise für eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage, mit einer Düsenanordnung, durch die der flüssige Brennstoff druckbeaufschlagt hin durchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchtritt des Brennstoffes durch die Düsenanordnung zumindest zwei, räumlich getrennte Brenn stoffsprays (5, 6) gebildet werden, in denen der Brennstoff vorwiegend in Form einzelner Brennstofftröpfchen (16) vorliegt, und daß die Brennstoff sprays (5, 6) jeweils eine Ausbreitungsrichtung zueinander aufweisen, so daß die Brennstofftröpfchen (16) eines Brennstoffsprays (5) mit den Brenn stofftröpfchen (16) des anderen Brennstoffsprays (6) kollidieren, so daß bei der Kollision der Brennstoffsprays (5, 6) eine Tröpfchenwolke (9) mit neuen Brennstofftröpfchen (17) gebildet wird, deren Durchmesser kleiner als der der kollidierenden Brennstofftröpfchen (16) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff zerstäubung derart erfolgt, daß die Tröpfchenwolke (9) eine Hauptausbrei tungsrichtung aufweist, die einer Winkelhalbierenden (8) der Ausbreitungs richtung der kollidierenden Brennstoffsprays (5, 6) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Druckbeaufschlagung des Brennstoffes vor Durchtritt durch die Düsen anordnung mit ca. 500 hPa eine Brennstofftröpfchengröße innerhalb der Brennstoffsprays (5, 6) mit Tröpfchendurchmessern von bis zu 3 mm und nach der Kollision der Brennstofftröpfchen (16) Tröpfchendurchmesser zwi schen 10 und 100 µm erzeugt werden.

4. Vorrichtung zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffs für eine Feuerungsanla ge, vorzugsweise für eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage, mit einer Düsenanordnung, durch die der flüssige Brennstoff druckbeaufschlagt hin durchtritt und zu einem Brennstoffspray zerstäubt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die Düsenanordnung zumindest zwei räumlich getrennte Dü senauslaßöffnungen (3, 4) aufweist, welche derart ausgerichtet sind, daß aus den Düsenauslaßöffnungen (3, 4) austretende Brennstoffsprays (5, 6) miteinander kollidieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen auslaßöffnungen (3, 4) jeweils den sich ausbildenden Brennstoffsprays (5, 6) Ausbreitungsrichtungen aufzwingen, die einen Winkel α, mit 0° < α ≦ 180° einschließen.

6. Vorrichtung zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffs zum Betrieb in einer Feuerungsanlage, vorzugsweise für eine Brennkammer einer Gasturbinen anlage, mit einer Düsenanordnung, durch die der flüssige Brennstoff druck beaufschlagt hindurchtritt und zu einem Brennstoffspray zerstäubt wird, da durch gekennzeichnet, daß die Düsenanordnung eine Schlitzdüse mit einer in sich geschlossenen Schlitzdüsenöffnung (10) aufweist, und daß die Schlitzdüsenöffnung (10) von einem Umlenkelement (15) umgeben ist, wel ches einen aus der Schlitzdüsenöffnung (10) austretenden Brennstoffspray (14) derart umlenkt, daß dieser konvergent in einem engbegrenzten Volu menbereich (7) zusammenläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitz düsenöffnung (10) kreisförmig ausgebildet ist, so daß sich der Brennstoff spray (14) in Art eines spitz zulaufenden Hohlkonus ausbildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (15) einstückig die Schlitzdüsenöffnung (10) umgibt und in Art eines Hohlkegelstumpfes ausgebildet ist, dessen größter Durchmesser sich unmittelbar an der Schlitzdüsenöffnung (10) anschließt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenanordnung in einem Brenner vorgesehen ist, der wenigstens zwei halbe, hohle Teilkegelkörper (1) vorsieht, die derart ineinander gefügt sind, daß deren Längssymmetrieachsen zueinander radial versetzt verlau fen und die mindestens zwei tangentiale Lufteintrittsschlitze für einen Ver brennungszuluftstrom sowie einen Kegelhohlraum einschließen, wobei die Düsenanordnung wenigstens zwei Düsenauslaßöffnungen (3, 4) aufweist, die jeweils gegenüberliegend, in den Teilkegelkörpern (1) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen auslaßöffnungen am Brenneraustritt (2) in den Teilkegelkörpern (1) ange ordnet sind.