DE2834313C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsdüse für flüssigen Brenn­ stoff zum Einsatz in einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Zerstäubungsdüse ist aus der US-PS 38 66 413 bekannt, in der beim normalen Betrieb der Gasturbine im oberen Lastbereich von dem Triebwerk verdichtete Luft zum Zerstäuben des Brennstoffs verwendet wird und in der beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb der Gasturbine Zusatzluft von einer gas­ turbinenfremden Druckluftquelle verwendet wird, um die Zer­ stäubung des Brennstoffes zu verbessern und dadurch die Drehzahl des Triebwerkes zu erhöhen.

Dazu ist außerhalb des die Düse durchsetzenden Brennstoffkanals ein Kranz von in der Umfangsrichtung in Abständen voneinander angeordneten, kleinen Löchern vorgesehen, durch die beim Anlau­ fen und im Niedriglastbetrieb der Gasturbine Druckluft von einer gasturbinenfremden Druckluftquelle über den zweiten Kanal in einen Luft­ kanal eingeleitet wird, um die Zerstäubung des Brennstoffes zu unterstützen. Diese Anordnung hat jedoch folgende Nachteile:

Die in großer Anzahl erforderlichen, kleinen Löcher können nur mit hohen Kosten hergestellt werden und können leicht durch Schmutzteilchen verlegt werden.

Die Druckluft tritt mit hoher Geschwindigkeit in Form von dis­ kreten Strahlen durch die kleinen Löcher, was zu einer uneinheit­ lichen Zerstäubung führen kann.

Die kleinen Löcher sind so angeordnet und gerichtet, daß der Brennstoff zu einem zylindrischen Sprühnebelkörper zerstäubt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine gattungs­ gemäße Zerstäubungsdüse für flüssigen Brennstoff zum Einsatz in einer Gasturbine zu schaffen, mit der auch beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb der Gasturbine mit Hilfe der gasturbinen­ fremden Druckmittelquelle eine gute Zerstäubung des Brennstoffes unter Ausbildung eines Sprühkegels mit einem Kegelwinkel von etwa 80 bis 90° gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Düse wird das von der gasturbinenfremden Druck­ mittelquelle kommende Druckmittel, z.B. Luft, durch eine ein­ zige, relativ große Öffnung zentral in den ersten Kanal einge­ leitet, in dem von der Gasturbine verdichtete Luft strömt, deren Menge beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb der Gasturbine nicht für eine gute Zerstäubung des Brennstoffs genügt. Dabei wird eine an sich bekannte Strahlpumpenwirkung erzeugt, indem die Luft, die in den im Querschnitt kreisförmig auszubildenden Kanal durch die in diesem zentral angeordnete Öffnung eintritt, der von der Gasturbine verdichteten Luft, die durch eine andere Öffnung in diesen Kanal eintritt, eine höhere Geschwindigkeit erteilt, so daß diese Luft den flüssigen Brennstoff auch beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb der Gasturbine genügend zer­ stäubt. Die von beiden Quellen kommende Luft wirkt daher an der Austrittsöffnung der Düse mit einer so hohen Geschwindigkeit auf den Brennstoff ein, daß dieser gut zerstäubt wird und einen Sprühnebelkörper von Kegelform bildet. Die Düse ist dabei so ausgebildet, daß sie die verdichtete Luft nicht wesentlich drosselt, wenn im Hochlastbetrieb der Gasturbine keine Druckluft von der gasturbinenfremden Druckluftquelle zugeführt wird.

ln dem gesamten Betriebsbereich der Gasturbine vom Anlaufen bis zum Hochlastbetrieb kann somit ein Sprühnebelkörper von befrie­ digender Form und eine befriedigende Zerstäubung des Brenn­ stoffes erzielt werden. Gegebenenfalls kann man beim Anlaufen der Gasturbine und in deren ganzen Betriebsbereich die von der gasturbinenfremden Druckluftquelle kommende Luft zusammen mit der von der Gasturbine verdichteten Luft verwenden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 im Querschnitt eine Düse nach einer einfachen Ausführungsform,

Fig. 2 im Querschnitt eine Düse nach einer bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform.

Die Düse 10 gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform besitzt einen Düsenkörper 12 mit einem kreisförmigen Teil 13, der in einem rohrförmigen Fortsatz 14 eines Behälters 16 sitzt. Dieser bildet einen Brennraum 18, der innerhalb des Luftver­ teilers 19 einer Gasturbine angeordnet ist. Den Düsenkörper 12 durchsetzt ein im Querschnitt kreisförmiger Luftkanal 20 mit einem sich verengendes Eintrittsende 21, das mit dem Verteiler 19 verbunden ist, und ein sich erweiterndes Austrittsende 22, das in den Brennraum 18 mündet. Das sich verengende Ende 21 ist glockenförmig, damit die von der Gasturbine geförderte Luft glatt eintreten kann. In dem Düsenkörper 12 ist ferner ein Ringkanal 24 ausgebildet, der an seinem Eintrittsende mit Drall­ blechen 26 versehen ist und der ebenfalls dazu dient, von der Gasturbine verdichtete Luft aus dem Verteiler 19 dem Brennraum 18 zuzuführen.

Ferner ist in dem Düsenkörper 12 ein Eintrittskanal 28 ausge­ bildet, der von einer auswärts von dem Verteiler 19 angeordneten Brennstoffquelle flüssigen Brennstoff einem ringförmigen Brenn­ stoffraum 29 zuführt, aus dem der Brennstoff durch mehrere drall­ erzeugende tangentiale Austrittsöffnungen 30 in eine den Kanal 20 schneidende Ringnut 32 tritt. Dabei bewirken die Austritts­ öffnungen 30, daß der Brennstoff in der Nut 32 eine freie Drall­ strömung bildet. An der Stelle, an der die Nut 32 den Kanal 20 schneidet, hat die Nut 32 abgerundete Ränder 34, 36. Der Rand 34 hat einen etwas kleineren Radius als der Rand 36, so daß der Brennstoff nach dem Durchtritt durch die Nut 32 auf der Wandung 37 des Austrittsendes 22 des Kanals 20 einen Flüssigkeitsfilm 39 bildet.

Dem Düsenkörper 12 ist ein Rohr 40 zugeordnet, das in der Aus­ führungsform gemäß Fig. 1 einen eigenen Teil bildet. Das Rohr 40 ist mit einer Druckmittelquelle 42, beispielsweise einer Druck­ luftquelle, verbunden, die zusätzlich zu dem Verdichter der Gasturbine vorgesehen ist. Das Rohr 40 steht etwas in das glockenförmig ausgebildete Eintrittsende 21 des Kanals 20 vor und endet stromaufwärts von der engsten Stelle desselben.

Im Betrieb der Düse gemäß Fig. 1 tritt Brennstoff in den Düsen­ körper 12 durch den Eintrittskanal 28 und die Austrittsöffnungen 30 in die Nut 32, in welcher er unter der Wirkung der durch den Kanal 20 strömenden Luft auf der Wandung 37 in Form des dünnen Films 39 auswärtsströmt. Auf den den äußeren Rand 38 der Wandung 37 erreichenden Brennstoffilm wirkt auch die durch den Kanal 24 strömende Luft ein. Die aus den Kanälen 20 und 24 austretende Luft bewirkt, daß der den Rand 38 verlassende Brennstoffilm in Tröpfchen 41 zerlegt, d.h. zerstäubt wird. Der so erhaltene Sprühnebel aus zerstäubtem Brennstoff mit einem Kegelwinkel von etwa 80 bis 90° wird von der Luft mitgerissen und der in dem Brennraum 18 brennenden Flamme zugeführt.

Damit eine befriedigende Zerstäubung erzielt wird, muß der flüssige Brennstoff beim Verlassen des Randes 38 der Einwirkung schnell strömender Luft unterworfen werden. Im Hochlastbetrieb der Gasturbine läuft deren Verdichter mit einer so hohen Dreh­ zahl, daß die von ihm verdichtete Luft aus dem Verteiler 19 mit einer so hohen Geschwindigkeit durch die Kanäle 20, 24 strömt, daß der flüssige Brennstoff beim Verlassen des Randes 38 gut zer­ stäubt wird. Beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb der Gas­ turbine läuft deren Verdichter dagegen mit einer relativ niedri­ gen Drehzahl, so daß die von ihm verdichtete und aus dem Ver­ teiler 19 durch die Kanäle 20, 24 strömende Luft u.U. nicht die Geschwindigkeit hat, die für die gewünschte Zerstäubung erforder­ lich ist. In diesen Betriebszuständen wird dann die zusätzliche Druckmittelquelle 42 zugeschaltet, die bewirkt, daß Luft mit hoher Geschwindigkeit durch das Rohr 40 zentral in den Kanal 20 eintritt und der mit niedriger Geschwindigkeit aus dem Verteiler 19 in den Kanal 20 eingetretenen Luft eine hohe Geschwindigkeit erteilt. Infolgedessen trifft die Luft aus dem Kanal 20 mit hoher Geschwindigkeit auf den den Rand 38 verlassenden, flüssigen Brennstoff auf, so daß auch beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb der Gasturbine eine gute Zerstäubung erzielt wird.

Da das Rohr 40 in das glockenförmige Eintrittsende 21 des Kanals 20 nur teilweise eintritt, wird im Hochlastbetrieb der Gastur­ bine, wenn über das Rohr 40 keine Druckluft zugeführt wird, die Strömung der von der Gasturbine verdichteten Luft in den Kanal 20 im wesentlichen nicht gedrosselt, so daß im Hochlastbetrieb der Gasturbine das Rohr 40 die normale Funktion der Düse im wesentlichen nicht beeinträchtigt.

Wenn so viel Platz vorhanden ist, daß der zentrale Kanal 20 für von der Gasturbine verdichtete Luft im Verhältnis zu seinem Durchmesser sehr lang sein kann, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, genügt im allgemeinen die Verwendung eines glatten Rohrs 40, das der hindurchtretenden Luft keinen Drall erteilt. Wenn es dagegen aus Platzgründen erforderlich ist, daß die Länge des Kanals 20 im Vergleich mit seinem Durchmesser relativ klein ist, muß die Düse gemäß Fig. 2 oder Fig. 4 ausgebildet sein.

Die in Fig. 2 gezeigte Düse 50 besitzt einen Düsenkörper 58 mit einem zentralen Kanal 54, der von der Gasturbine verdichtete Luft aus dem Verteiler 19 über radiale Ausnehmungen 56 erhält, die in Bezug auf den Kanal 54 tangential angeordnet sind, so daß in diesem eine Drallströmung erzeugt wird. Die Kanäle zum Zuführen des Brennstoffs sind ebenso wie gemäß Fig. 1 ausgebil­ det und mit denselben Bezugszeichen versehen.

Der Düsenkörper 58 besitzt einen hinteren Teil 59, der mit einem rohrförmigen Fortsatz 60 versehen ist, dessen einziger Eintritts­ kanal 61 in einen Ringraum 62 führt, der seinerseits über tangentiale Öffnungen 63 in einen zentralen Raum 66 führt. Der Raum 66 ist durch eine verengte Bohrung als Kanal 68 mit einer sich erweiternden Öffnung 70 in einem rohrförmigen Vorsprung 75 verbunden. Der Düsenkörper 58 besitzt ferner einen Ringkanal 76, in dem Drallbleche 77 angeordnet sind. Die Austrittsstrecke 78 des Kanals 76 schneidet eine konische Innenwandung 79 des Kanals 54 an einem Rand 80. Die tangentialen Öffnungen 63 erteilen der Luft in dem Raum 66 und der Bohrung 68 einen Drall. Die Öffnungen 63 haben dieselbe tangentiale Richtung wie die Ausneh­ mungen 56, so daß der Drall der in den Kanal 54 aus der Bohrung 68 eintretenden Luft denselben Drehsinn hat wie der Drall der aus der Ausnehmung 56 in den Kanal 54 eintretenden Luft und die höchste Luftgeschwindigkeit in der Nähe der Wandung 79 und daher die wirksamste Zerstäubung des flüssi­ gen Brennstoffes an dem Rand 80 erzielt wird. Infolge dieser Anordnung zum Erzeugen einer Drallströmung der Luft hat diese in dem zentralen Bereich des Kanals 54 und der Wandung 79 eine relativ niedrige Geschwindigkeit, was zur Stabilisierung des Verbrennungsvorganges in dem Brennraum beiträgt. Wie bei der Fig. 1 wird dank der zentralen Anordnung der zusätzlichen Luft­ zuführung in dem Kanal 54 eine Strahlpumpenwirkung erzielt, die der von der Gasturbine verdichteten und durch die radialen Aus­ nehmungen 56 in den Kanal 54 eintretenden Luft eine hohe Geschwindigkeit erteilt, so daß diese schnell strömende Luft den den Rand 80 verlassenden Brennstoff beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb der Gasturbine genügend zerstäubt. Wenn im Hochlastbetrieb der Gasturbine über den Kanal 61 keine Zusatz­ luft zugeführt wird, bewirkt der rohrförmige Vorsprung 75 im wesentlichen keine Drosselung der über die Ausnehmung 56 in den Kanal 54 eintretenden Luft.

Die in Fig. 4 gezeigte Düse 82 ähnelt in einigen Punkten der Düse 50 in Fig. 2. Gleiche Teile sind mit denselben Bezugs­ ziffern bezeichnet. In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 tritt von einer gasturbinenfremden Druckluftquelle kommende Druckluft in den Düsenkörper 83 durch einen radialen rohrförmigen Fortsatz 84 ein, dessen Bohrung 85 tangential in den Raum 86 mündet. Dieser steht über eine verengte Bohrung 90 mit einer sich erweiternden Öffnung 88 in einem rohrförmigen Vorsprung 89 in Verbindung.

In der verengten Bohrung 90 begrenzt ein Stift 91 einen ring­ förmigen Strömungskanal 92. Der Stift 91 besitzt einen Kopf 93, der so ausgebildet ist, daß zwischen ihm und der sich erweitern­ den Öffnung 88 der Bohrung 90 ein sich auswärts erweiternder Aus­ trittskanal 94 vorhanden ist, aus dem die Luft in einer konischen Strömung austritt. Der Stift 91 ist am einen Ende bei 95 mit dem Düsenkörper 83 verschraubt, so daß durch Verstellen des Stiftes 91 die Breite des ringförmigen Austrittskanals 94 und damit das Volumen und die Geschwindigkeit der aus dem Austrittskanal austretenden Luft und der Kegelwinkel des gebil­ deten Sprühkegels beeinflußt werden kann. Diese Einstellung ermöglicht eine genauere Steuerung der Menge und der Geschwindig­ keit der Luft, die durch den Kanal 54 tritt. Nach dem Einstellen der gewünschten Form des Sprühkegels und der austretenden Luft­ menge wird der Stift 91 gegenüber dem Düsenkörper 83 mittels einer Kontermutter 96 festgelegt.

Bei einer Prüfung der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat es sich gezeigt, daß bei Zuführung von Luft von der gasturbinen­ fremden Druckluftquelle über das Rohr 40 mit einem Überdruck von etwa 0,35 bar eine zufriedenstellende Zerstäubung von Brenn­ stoffen mit Viskositäten von bis zu 12 cSt erzielt wurde, wenn der Luftdruckverlust in der Gasturbine etwa 1,3 mbar betrug. Dabei war die von der gasturbinenfremden Druckluftquelle zuge­ führte Luftmenge gegenüber der zur Erzielung einer einwandfreien Verbrennung von dem Verdichter der Gasturbine durch die Düse geführten Luftmenge, deren Masse in einem bestimmten Verhältnis zu der Masse des zugeführten Brennstoffes steht, relativ klein und betrug nur 10 bis 20 Gew.-% des zugeführten Brennstoffes oder etwa 1 Gew.-% der für eine vollständige (stöchiometrische) Ver­ brennung erforderlichen Luftmenge.

Zum Herabsetzen des Stickstoffoxidgehalts in den Abgasen der Gas­ turbine kann man von der gasturbinenfremden Druckmittelquelle über das Rohr 40, 60 oder 84 anstelle von Druckluft Wasserdampf zuführen, der beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb der Gas­ turbine der von diese verdichteten Luft eine hohe Geschwindig­ keit erteilt, so daß eine gute Zerstäubung erzielt wird. Nach dem Eintritt in den Brennraum bewirkt der Dampf eine Herab­ setzung der Bildung von Stickstoffoxiden in dem Abgas der Gas­ turbine. Da die Herabsetzung des Stickstoffgehalts der Abgase bei Hochlastbetrieb wichtiger ist als beim Anlaufen und im Niedriglastbetrieb, führt man den Dampf zweckmäßig auch im Hochlastbetrieb zu. Ähnliche Effekte wie mit Wasserdampf kann man durch Zufuhr von flüssigem Wasser erzielen.

Man kann durch das Rohr 40, 60 oder 84 auch andere Gase, wie Sauerstoff oder Stickstoff, zuführen, um die Zerstäubung des Brennstoffes zu verbessern oder eine gewünschte Substanz in den Brennraum einzuleiten, ohne daß dadurch die Arbeitsweise der Düse beeinträchtigt wird, wenn die Zerstäubung des Kraftstoffes nur durch von der Gasturbine verdichtete Luft unterstützt wird. Beispielsweise kann unter schwierigen Bedingungen, z.B. bei schwankender Brennstoff- und/oder Lufttemperatur, die Zündfähig­ keit bestimmter Brennstoffe durch Zufuhr von Sauerstoff ver­ bessert werden, während man durch Zufuhr von Stickstoff oder eines anderen Inertgases die Geschwindigkeit der Verbrennungs­ reaktion die Ablagerung von Kohlenstoff auf den Oberflächen der Zerstäubungsdüse vermindern kann. Je nach der Auswahl des durch das Rohr 40, 60 oder 84 zugeführten Druckmittels kann man daher verschiedenartige Effekte erzielen.

Claims (4)

1. Zerstäubungsdüse für flüssigen Brennstoff zum Einsatz in einer Gasturbine mit einem in einer ringartigen Austritts­ öffnung (bei 38, 80) mündenden Brennstoffkanal, einem ersten Kanal (20, 54) zum Einleiten von von der Gasturbine verdich­ teter Luft in den Brennstoffkanal stromaufwärts von dessen Austrittsöffnung (bei 38, 80) und einem zweiten Kanal (40, 68, 92) zur Zuführung von die Zerstäubung des Brennstoffs unterstützendem Druckmittel mit hoher Geschwindigkeit aus einer gasturbinenfremden Druckmittelquelle, dessen Auslaß koaxial zu demjenigen des ersten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (40, 68, 92) in den ersten Kanal (20, 54) vorsteht und als Auslaß eine in dem ersten Kanal (20, 54) zentral angeordnete Öffnung (70, 88) stromaufwärts von der Austrittsöffnung (bei 38, 80) besitzt, so daß durch das austretende Druckmittel der in dem ersten Kanal (20, 54) zu der Austrittsöffnung (bei 38, 80) hin strömenden Luft eine hohe Geschwindigkeit erteilbar ist.

2. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (20, 54) ein Eintrittsende (21) und ein Austrittsende (22) besitzt und an einer Stelle zwischen diesen Enden einen kleineren Durchmesser hat als an den Enden, und daß der zweite rohrförmig ausgebildete Kanal (40) stromaufwärts von der Stelle mit dem kleineren Durchmesser endet.

3. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der gasturbinenfremden Druckmittel­ quelle und dem zweiten Kanal (68) ein Ringraum (62) vorge­ sehen ist, der dem Druckmittel einen Drall erteilt.

4. Zerstäubungsdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung, die einen in dem zweiten Kanal (92) angeordneten Stift (91) aufweist, der zur Beeinflussung des Volumens und der Geschwindigkeit des Druckmittels verstellbar ist.