DE2856399A1 - Brennstoff-luft-mischeinrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWALT

L. ing. E. IlOLKiTn

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8000 AUGSBUIiG

TELEFON BlOiIS TBLKX Ö3S202 I?r.:d d

M. 6 31

Augsburg, den 27. Dezember 1978

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London S.W.I, England

Brennstoff-Luft-Mischeinrxchtung

Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Luft-Mischeinrichtung nach dem. Oberbegriff des Anspruchs 1, also eine Einrichtung derjenigen grundsätzlichen Bauart, bei welcher flüssiger Brennstoff in einen Luftstrom eingespritzt wird.

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Zur Vermeidung einer unnötigen Luftverschmutzung ist es wünschenswert, daß Stickoxide in den Abgasen von Brenneinrichtungen, beispielsweise von Gasturbinen, so gering wie irgend möglich gehalten werden. Dies kann durch Verwendung magerer Brennstoff-Luft-Gemische für die Verbrennung und insbesondere dann erreicht werden, wenn die Brennstoffverdampfung und der Mis cnVorgang bereits vor Beginn der Verbrennung im wesentlichen abgeschlossen sind.

Diese letzteren Bedingungen können jedoch auch zu einer spontanen Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches führen, was insbesondere dann unerwünscht ist, wenn eine solche spontane Zündung noch innerhalb der Mischeinrichtung erfolgt.

Eine spontane Zündung des Gemisches läßt sich vermeiden, indem dafür Sorge getragen wird, daß die Verdampfung des Brennstoffs und der Miscnvorgang innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, die kürzer als die Zündverzögerungszeit des Gemisches ist. Die Zündverzögerungszeit hängt von dem verwendeten Brennstoff, dem Brennstoff-Luft-Verhältnis und den Betriebsbedingungen hinsichtlich Temperatur und Druck ab. Je nach den Betriebsbedingungen und der Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms ergibt sich ein Grenzwert hinsicntlich der Mischlänge, der nicht überschritten

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werden darf, wenn eine spontane Zündung ausgeschlossen sein soll.

Die Anforderungen an eine wirksame Mischeinrichtung umfassen demzufolge die Erzeugung eines sehr feinen Brennstoffnebels und eine kontrollierte Verteilung des Brennstoffs in der Luft, um innerhalb eines möglichst kurzen Längenabschnittes innerhalb eines weiten Bereiches der möglichen Betriebsbedingungen eine gleichförmige Brennstoffverteilung in der Luft zu erhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf die Erfüllung der eben genannten Forderungen auszubilden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Bei der erfin dungs gemäßen Lösung findet also eine Einleitung von mit den eingespritzten Brennstoffstrahlen im wesentlichen zusammenfallenden oder unmittelbar stromab derselben in jeweils der gleichen in jeweils der gleichen Axialebene befindlichen Hochdruck-Luftstrahlen Anwendung, um eine gute Zerstäubung des Brennstoffs und eine wirksame

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Ausbreitung des Brennstoffs über den gesamten Luftströmungsquersehnitt sicherzustellen. Das durch diese Maßnahme bewirkte Eindringen des Brennstoffs in den Luftstrom ist der Berechnung zugänglich und kann zwecks Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen variiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff von den Brennstoffinjektoren mit einer axialen Richtungskomponente in bezüglich des Luftstroms im Luftzufuhrrohr stromabwärtiger Richtung in den Luftstrom eingespritzt.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Pig. I einen Längsschnitt durch eine

Mischeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene I-I

in Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus

Fig. 1, der einen Brennstoffinjek-

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tor mit einem zugeordneten Lufteinlaß zeigt,

Fig. 4 a eine Darstellung ähnlich Fig. 3

einer abgewandelten Ausführungsform,

Fig. 4 b einen Schnitt längs der Linie IV-IV

in Fig. 4a,

Fig. 5 wiederum eine Darstellung ähnlich

Fig. 3 einer weiteren Ausführungsform, und

Fig. 6 nochmals eine alternative Aus

führungsform.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Mischeinrichtung weist ein kreisrundes Luftzufuhrrohr 1 mit einem trompetenartig erweiterten Einlaßende 2 und einem an seinem anderen Ende angeordneten Flansch 3 auf. Nahe dem Einlaßende 2 ist ein Strömungsgleichrichter 20 in dem Luftzufuhrrohr 1 angeordnet. An dem Flansch 3 ist ein Brennstoffinjektionsring 4 befestigt, dessen Innendurchmesser demjenigen des Luftzufuhrrohrs 1 entspricht, und an diesem Injektionsring ist

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ein Mischrohr 5 mittels eines daran angeordneten Flansches angebracht. Die Befestigung der Plansche 3 und 6 an dem Injektionsring 4 erfolgt in üblicher Weise mittels nicht dargestellter Schrauben. Der Innendurchmesser des Mischrohrs 5 ist kleiner als derjenige des Luftzufuhrrohrs 1, und das Mischrohr ist an seinem mit dem Flansch 6 versehenen Ende zur Herstellung eines sanften Durchmesserübergangs aufgeweitet. Die Strömungsrichtung des Luftstroms durch die Mischeinrichtung ist durch die Pfeile MA bezeichnet.

Der Injektionsring 4 weist drei mit gegenseitigen ümfangsabständen angeordnete, von seinem Außenumfang radial einwärts verlaufende Sackbohrungen 7 auf. In diesen Sackbohrungen 7 koaxial angeordnete Brennstoffinjektoren 8 ragen in die mittige Bohrung des Ringes 4 hinein.

Bei den Brennst of fin j ektoren 8 handelt es sich um Röhrchen, die jeweils an ihrem radial inneren Ende verschlossen sind, wie aus der nähere Einzelheiten zeigenden Fig. 3 erkennbar ist. In dem in die mittige Bohrung des Injektionsringes 4 hineinragenden verschlossenen Endabschnitt jedes Brennstoffinjektors 8 sind vier entlang der Längsachse desselben mit gegenseitigen Abständen an-

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geordnete Bohrungen 9 gebildet, die in mit Bezug auf den Luftstrom durch die Mischeinrichtung stromabwartiger Richtung weisen. Unmittelbar stromab jedes Injektors 8 und in der gleichen Axialebene des Injektionsringes 7 ist jeweils ein Lufteinlaß 10 in Form einer Luftdurchtrittsöffnung gebildet, die vom Boden der betreffenden Sackbohrung 7 zur mittigen Bohrung des Injektionsringes verläuft. Die Brennstoffinjektoren 8 sind an eine Flüssigbrennstoff quelle und die Sackbohrungen 7 an eine Hochdruckluftquelle angeschlossen.

Im Betrieb wird gemäß dem Pfeil F in Fig. 3 flüssiger Brennstoff in die Injektoren 8 eingeleitet, der in Form von Brennstoffstrahlen aus den Bohrungen 9 austritt, wobei diese Brennstoffstrahlen von einem mit hoher Geschwindigkeit aus dem, dem betreffenden Brennstoffinjektor zugeordneten Lufteinlaß 10 austretenden, durch einen Pfeil A angedeuteten Luftstrahl getroffen werden. Dieser schnelle Luftstrahl zerstäubt den Brennstoff und trägt ihn entlang einer gestrichelt angedeuteten kurvenförmigen Bahn quer durch den, durch das Luftzufuhrrohr 1 zugeführtem Luftstrom hindurch. Während des Hindurchströmens des Luftstroms durch das Mischrohr 5 wird der Brennstoff weiter zerstäubt und mit der Luft vermischt, so daß man am Auslaß des Mischrohrs ein Gemisch mit im wesentlichen gleich-

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förmiger Brennstoffverteilung erhält.

Man erreicht eine optimale Leistungsfähigkeit der Mischeinrichtung über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen, indem man die durch die Lufteinlässe eingeleiteten schnellen Luftstrahlen im Hinblick auf eine Kompensation von Änderungen von Temperatur, Druck, Brennstoff zuströmung oder Luftströmung im Luftzufuhrrohr jeweils einstellt. Es hat sich gezeigt, daß eine gute Mischung bei Verwendung eines Mischrohrs erzielt wird, dessen Länge etwa zweimal so groß wie der Durchmesser ist, wohingegen die Länge, bei welcher eine spontane Zündung wahrscheinlich auftreten würde, beträchtlich größer ist.

Es sind auch verschiedene andere Anordnungsmöglichkeiten der Brennstoffinjektoren denkbar, beispielsweise kann eine größere Anzahl von Brennstoffinjektoren gewählt werden, wobei ungerade Anzahlen zu bevorzugen sind, damit diametral gegenüberliegende Anordnungen von Brennstoffinjektoren vermieden werden, die zu örtlichen Überkonzentrationen führen könnten.

Außerdem kann die Anzahl der in Fig. 3 gezeigten Bohrungen 9 jedes Brennstoffinjektors erhöht oder verringert werden.

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Alternative Injektoranordnungsformen sind in den Fig. 4a, 4b, 5 und 6 gezeigt, wobei in diesen Pig. zur Bezeichnung gleicher Teile wieder gleiche Bezugs reichen wie in den Fig. 1 bis 3 verwendet sind.

Bei allen diesen alternativen Ausführungsformen ist ein die jeweilige Sackbohrung 7 ndt der mittigen Ringbohrung des Inj ekt ions ringes 4 verbindender Lufteinlaß 11 koaxial mit dem jeweiligen Injektor 8 angeordnet. Bei der Anordnung nach den Fig. 4a und 4b ist jeder Injektor an seinem radial inneren, abgeflachten Ende offen und unterteilt den jeweiligen Lufteinlaß 11 in der aus den Zeichnungen ersichtlichen Weise, so daß die Hochdruckluft beiderseits des aus dem Injektor austretenden breiten BrennstoffStrahls aus dem Lufteinlaß austritt und somit das Eindringen des Brennstoffs in den durch das Luftzufuhrrohr 1 strömenden Luftstrom durch diese riochdruckluft vergrößert wird. Bei dieser Ausführungsform ragt der Injektor nicht in den durch das Luftzufuhrrohr zugeführten Hauptluftstrom hinein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 endigt der Injektor 8 kurz vor der den Lufteinlaß 11 bildenden Durchtrittsöffnung und ist an seinem Ende offen, enthält jedoch eine Düse 12 mit einer kleinen Bohrung, durch welche

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ein sehr feiner Brennstoffstrahl in den Lufteinlaß 11 hinein austritt, der dann mit dem durch diesen Lufteinlaß strömenden Luftstrahl in den Hauptluftstrom hineingezogen wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 weist der Injektor 8 ein koaxial darin angeordnetes Röhrchen 13 mit kleiner Bohrung auf, das am offenen Ende des Injektors endigt und durch welches zusätzliche Hochdruckluft im Zentrum des aus dem Injektor austretenden Brennstoffstrahls eingeleitet werden kann, bevor der Brennstoff durch den Lufteinlaß 11 in den Hauptluftstrom gelangt»

Versuche mit Mischeinrichtungen nach der Erfindung haben gezeigt, daß diese Einrichtungen eine bemerkenswerte Drosselungsfähigkeit besitzen, so daß es möglich ist, zum Zünden auf einen Druck von 1 bar bis 2 bar herunterzugehen und dann den Druck auf Werte bis oberhalb 20 bar zu steigern, wobei eine konstante Hauptluftstromgescnwindxgkeit und ein konstantes Brennstoff-Luft-Verhältnis aufrechterhalten wird und man bei allen Drücken oberhalb von etwa 3 bar sehr niedrige Stickoxidwerte bekommt, indem einfach ein konstantes effektives dynamisches Druckverhältnis zwischen den Zerstäubungsluftstrahlen und der Hauptluftströmung beibehalten wird. Erfahrungen mit anderen Mischsystemen haben

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gezeigt, daß deren Drosselungsfähigkeit dagegen nur sehr beschränkt ist.

Eine Mischeinrichtung nach der Erfindung kann leicht für eine automatische Regelung ausgelegt werden, beispielsweise durch einen einfachen mechanischen Regler, jedoch ist im Hinblick auf eine genaue Arbeitsweise bei nur minimalem Verbrauch von Hochdruckluft ein elektronisches Regelsystem zu bevorzugen.

In machen Fällen kann es vorteilhaft sein, das Mischrohr durch einen ringförmigen Kanal zu ersetzen, um übermäßige örtlicne Brennstoffkonzentrationen zu vermeiden, die bei Verwendung eines Mischrohrs infolge einer zu starken Eindringung von ungenügend zerstäubtem Brennstoff in den Hauptluftstrom im Bereich der Mischrohrachse entstehen können.

Mischeinrichtungen nach der Erfindung eignen sich für den Einsatz in Verbindung mit einer Vielfalt von Brenneinrichtungen, beispielsweise von Kesselfeuerungen, katalytischen Reaktorbrennern oder Gasturbinen. Im letzteren Fall kann das Erfordernis eines hohen Druckes der Zerstäubungsluftstrahlen den Einsatz der Mischeinrichtung bei Flugzeugtriebwerken ausschließen, jedoch ist die er-

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findungsgemäße Mischeinrichtung auf jeden Fall bei industriellen Gasturbinen und bei Schiffs gas turbinen einsetzbar.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   y Brennstoff-Luft-Mischeinrichtung mit einem einen Luftstrom führenden Luftzufuhrrohr und mit Mt te In zur Brennstoffeinspritzung in den Luftstrom, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Brennstoffinjektoren (8) mit gegenseitigen Umfangsabständen am Umfang des Luftzufuhrrohrs (1) angeordnet ist, und daß an den gleichen UmfangssteIlen mit den Brennstoffinjektoren im wesentlichen zusammenfallend angeordnete Lufteinlässe (10) zur Einleitung von Hochdruckluft vorgesehen sind.
2. 2. Einrichtung nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet, daß unmittelbar stromab jedes Brennstoffinjektors (8) ein Lufteinlaß (10) angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurcn gekennzeichnet, daß die Brennstoffinjektoren (8) den Brennstoff mit einer axialen Richtungskomponente in bezüglich des Luftstroms im Luftzufuhrrohr (1) stromabwärtiger Kicntung in den Luftstrom einspritzen.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffinjektoren (8) als in das Luftzufuhrrohr (1) hineinragende Röhrchen ausgebildet sind, die jeweils

   mindestens eine stromabwärts weisende Brennstoffaustrittsöffnung (9) aufweisen.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durcn eine ungerade Anzahl von Brennstoffinjektoren (8), die brennstoff jeweils radial in das Luftzufuhrrohr (1) einspritzen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinlässe (11) koaxial mit den Brennstoffinjektoren (8) angeordnet sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinlässe (11) die Brennstoffinjektoren (8) im wesentlichen umschließen.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffinjektoren (8) so angeordnet sind, daß sie den Brennstoff durch die Lufteinlässe (11) in das Luftzufuhrrohr (1) einspritzen.
9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein sich stromab der Brennstoffinjektoren (8) an das Luftzufuhrrohr (1) anschließendes und mit diesem koaxiales Mischrohr (5).

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10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Mischrohrs (5) etwa das zweifache seines Durchmessers beträgt.

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