DE3913124A1 - Brennstoffduese - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse für Brennkam­ mern von Gasturbinen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Brennkammern von Gasturbinen, die mit flüssigen Brennstoffen (Brennöl) ganz oder teilweise betrieben werden, stellt die Art der Brennstoffaufbereitung vor der eigentlichen Verbrennung eine sehr wichtige Komponente im Lichte einer schadstoffarmen und brennstoffsparsamen Verbrennung dar.

Vor allem bereitet die Einhaltung der Vorschriften über die maximal erlaubten NO _x -Emissionen große Schwierigkei­ ten, insbesondere wenn - wie dies beispielsweise in USA der Fall ist - zulässige Werte von maximal 75 ppm bei 15 Vol.% O₂ vorgeschrieben sind.

Strebt man vor der eigentlichen Verbrennung eine voll­ ständige Vermischung des Brennöls mit der verdichteten Luft an, so muß auf die Art der Zerstäubung dieses flüssigen Brennstoffes die größte Aufmerksamkeit ge­ richtet werden, denn die durch die jeweilige Zerstäubung erzielte Tropfengröße stellt schlußendlich ein Maß dar, ob die Verbrennung innerhalb der angestrebten Werte überhaupt möglich ist.

Es hat sich gezeigt, daß eine Zerstäubung durch Verwirbe­ lung des Brennöls mit einem Teil der verdichteten Luft in einem geometrisch kleinen, der Verbrennungszone vorge­ lagerten Raum (Vormisch/Vorverdampfungsrohr) allein nicht genügt. Zwar wird damit sicher eine gewisse Vermi­ schung erzielt, indessen sind die Oeltropfen immer noch zu groß, als damit jene Gemischhomogenität erzielt werden könnte, die für eine schadstoffarme und brennstoff­ sparsame Verbrennung ausschlaggebend ist.

Dabei geht man bei dieser Technik von der Ueberlegung aus, daß der Verdampfungsgrad des Brennöl/Luft-Gemisches umso stärker ist, je größer die Temperatur und die dortige Verweilzeit und je kleiner die sich bildenden Tropfen des zerstäubten Brennöls sind. Zwar ließe sich die Tropfengröße auf das erwünschte Maß reduzieren, indem Temperatur, Druck und Verweilzeit des Gemisches im Vormisch/Vorverdampfungsrohr erhöht wurden: Allein verringert sich damit die kritische Zeitdauer bis zur Selbstzündung des Gemisches, weshalb die Ersatzmaßnahmen zur Minimierung der Tropfengröße untauglich sind.

In EP-00 29 619 ist eine Lösung vorgeschlagen worden, wie die auf kleine Tropfen hinzielende Zerstäubung des Brennöls verbessert werden könnte.

Die dort beschriebene Brennstoffdüse weist ein Brennöl­ mischsystem und oberhalb desselben ein Brenngasmisch­ system auf.

Im Bereich des Brennölmischsystems, das durch eine außen­ gelagerte Vormischkammer gebildet ist, ist um eine zen­ trale brennstofführende Leitung, die einer unteren Wirbel­ kammer Brennstoff zuführt, eine Ringleitung für das Brennöl angeordnet, die über eine Bohrung mit der außen­ gelagerten Vormischkammer kommuniziert und zwar etwa auf halber Kammerhöhe. Die Zerstäubungsluft, als Teil der verdichteten Luft mit höherem Druck, wird in diesem Bereich von gleichmäßig über den Umfang verteilten Längsbohrungen gefaßt und weiter stromabwärts geführt. Dabei münden diese Längsbohrungen etwa am unteren Ende der Vormischkammer in einen Ringraum, von wo aus die Zerstäubungsluft über eine Bohrung ebenfalls mit der außengelagerten Vormischkammer kommuniziert. Die Vor­ mischkammer selbst ist an ihrem oberen Ende mit einer Ringdüse versehen, über welche das hierin gebildete Gemisch gegen die Strömungsrichtung der verdichteten Luft im Vormisch/Vorverdampfungsrohr, das die Brennstoff­ düse ummantelt, eingeblasen wird. Wohl kommt der Wahl eines hiefür geeigneten Einspritzwinkels eine entschei­ dende Bedeutung für das Ausmaß der Vormischung zu, indessen kann damit auf die Tropfengröße keinen nennens­ werten Einfluß mehr ausgeübt werden. Die Tropfengröße wird hier allein von der senkrechten Prallwirkung des eingedüsten Brennöls gegen die Innenwand der Vormisch­ kammer vorgegeben. Die in der Vormischkammer von unten kommende Zerstäubungsluft reißt lediglich das nun nebel­ förmige Brennöl mit und transportiert es zur Ringdüse weiter, ohne dabei weitere verkleinernde Einwirkungen auf die Tropfengröße ausüben zu können.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, die Tropfengröße des zu zerstäu­ benden Brennöls zu minimieren, dergestalt, daß in der Brennzone der Brennkammer analoge Vormisch/Vorverdampfungs­ verhältnisse vorherrschen, wie sie bei einem Brenngas/Luft- Gemisch anzutreffen sind.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch die tangential angelegten Bohrungen für die Eindüsung des Brennöls und der Zerstäubungsluft in die Vormischkammer dem sich dort bildenden Gemisch eine rotierende, nach oben gerichtete Drallbewegung aufge­ zwungen wird. Diese Drallbewegung zwingt der Zerstäu­ bungsluft entlang der Vormischkammerwand eine Wellen­ bewegung auf, durch die aus dem weiter oben sich ebenfalls entlang der Vormischkammerwand gebildeten Oelfilm feine Oeltropfen herausgerissen werden, wodurch die Vernebelung des Gemisches zunimmt. Darüber hinaus ist der Ausgang der Vormischkammer durch in Umfangsrichtung der Mündung eingeschnittene Spalte gebildet, wodurch die dort an­ kommende Gemischströmung zuerst auf Zwischenstege auf­ prallt, bevor sie durch die Spalte in das Vormisch/Vor­ verdampfungsrohr gegen die dort herrschende Strömung der verdichteten Luft entweichen kann. Der starke Drall der Gemischströmung und deren Aufprall auf die Stege am Ausgang der Vormischkammer bewirken einen Vermischungs­ effekt und eine weitere Minimierung der Tropfengrösse des Brennöls und somit eine optimale Vermischung/Ver­ dampfung der Gemischmedien, schon bevor das Gemisch in das Vormisch/Vorverdampfungsrohr eintritt.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfin­ dungsgemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Brennstoffdüse im Bereich des Brennölmischsystems,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse am Ausgang der Vormischkammer gemäß Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse bei der Einmündung des Brennöls in die Vormischkammer gemäß Schnittlinie III-III in Fig. 1 und

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse bei der Einmündung der Zerstäubungsluft in die Vor­ mischkammer gemäß Schnittlinie IV-IV in Fig. 1.

Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente des Systems sind fortge­ lassen.

Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeich­ net.

Fig. 1 zeigt den Teillängsschnitt einer Brennstoffdüse (1) mitsamt Vormisch/Vorverdampfungsrohr (15) im Bereich der dort eingeleiteten Vermischung zwischen flüssigem Brennstoff (Brennöl) und Zerstäubungsluft. In diesem Bereich ist um die zentrale Leitung 3, welche wechselweise Brennöl oder Brenngas führen kann und in die untere nicht dargestellte Wirbelkammer der Brennstoffdüse 1 einmündet, eine ölführende Ringleitung 4 angeordnet, welche etwa auf halber Höhe der Vormischkammer 5 endet. Mehrere in Umfangsrichtung jeweils untereinander ange­ ordnete Bohrungspaare 6 a und 6 b durchstoßen den Ring­ körper 7 und speisen eine in Strömungsrichtung in sich geschlossene Ringöffnung 8. Von hier aus kommunizieren dann mehrere gegenüber der Ringöffnung 8 tangential angeordnete Bohrungen 9 über den Ringkörper 10 mit der Vormischkammer 5. Eine weitere konzentrische Ringleitung 11 führt als Zerstäubungsluft höher verdichtete Luft durch die Brennstoffdüse 1 heran. Oberhalb der ölführenden tangentialen Bohrungen 9 geht die zerstäubungsluftführende Ringleitung 11 in mehrere über den Umfang verteilte Längsdurchbrüche 12 über, welche die seitliche Eindüsung des Brennöls 4 in die Vormischkammer 5 überbrücken.

Etwa gegen das untere Ende der Vormischkammer 5 wird die zerstäubungsluftführende Ringleitung 11 wieder er­ stellt. Von hier aus durchbrechen mehrere Bohrungen 13 den Ringkörper 10 und speisen durch tangentiale Zuströ­ mung die Vormischkammer 5 mit Zerstäubungsluft 11. Die Vormischkammer 5 ist an ihrem oberen Ende durch in Um­ fangsrichtung der Mündung eingeschnittene Spalte 14 versehen, über welche das dort ankommende Gemisch in das Vormisch/Vorverdampfungsrohr 15 entweichen kann. Die Richtung der Spalte ist so ausgelegt, daß das Gemisch gegen die dort heranströmende verdichtete Luft 2 auf­ prallt. Durch die tangential angelegten Bohrungen für die Eindüsung des Brennöls 9 und der Zerstäubungsluft 13 in die Vormischkammer 5 wird dem sich dort bildenden Gemisch eine rotierende, gegen die Mündung der Vormisch­ kammer 5 gerichtete Drallbewegung aufgezwungen. Eine Vernebelung des eingespritzten Brennöls findet hier durch die von der Drallbewegung der Gemischströmung verursachte Aufprallarbeit entlang der Vormischkammerwände statt. Darüber hinaus prallt die Gemischströmung am Ausgang der Vormischkammer gegen die Stege 17 zwischen den einzelnen Spalten 14, dergestalt, daß die Drall­ bewegung des Gemisches abgebremst wird und so eine zu­ sätzliche Verkleinerung der Tropfengröße des Brennöls verursacht, womit zusätzlich auch eine Vernebelung des Gemisches entsteht. Erst bei relativ kleinen Geschwindig­ keiten vermag das Gemisch zwischen den Spalten 14 zu entweichen und sich mit der verdichteten Luft 2 im die Brennstoffdüse 1 ummantelnden Vormisch/Vorverdampfungsrohr 15 zu vermischen. Kurz vor der Mündung der Vormischkammer 5 erhält die Gemischströmung eine zusätzliche Beschleuni­ gung, indem dort die lichte Weite der Vormischkammer 5 sich lavaldüsenartig (16) verengt. Die Wahl des geeigneten Einspritzwinkels des Gemisches aus der Vormischkammer 5 gegen die verdichtete Luft 2 im Vormisch/Vorverdampfungs­ rohr 15 hängt von zahlreichen thermodynamischen und geometrischen Parametern ab, so daß ohne deren Kenntnis keine aussagekräftigen Werte bekanntgegeben werden können.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse 1 am Ausgang der Vormischkammer 5. Ersichtlich ist die zentrale, brennstofführende Leitung 3, die ölführende Ringleitung 4, die zerstäubungsluftführende Ringleitung 11. Das hier gezeigte Beispiel ist mit 36 Spalten 14 eingeschnitten, deren mittlere Durchflußöffnung 1/20-1/30 des mittleren Durchmessers der Vormischkammer 5 beträgt. Dazwischen ist die Mündung der Vormischkammer 5 mit Stegen 17 ausgefüllt, gegen welche die Gemischströmung aufprallt, abgebremst und verdampft wird.

Fig. 3 zeigt dann einen Querschnitt durch die Brenn­ stoffdüse 1 bei der Einmündung des Brennöls 9 in die Vormischkammer 5.

Ersichtlich ist wiederum die zentrale, brennstofführende Leitung 3, die ölführende Ringleitung 4, die zerstäubungs­ luftführenden Längsdurchbrüche 12, welche zwischen den Bohrungen 6 a - und nicht ersichtlich 6 b - ausgenommen sind. Die ölführende Ringleitung 4 kommuniziert über die Bohrungspaare 6 a und 6 b mit der im Ringkörper 7 ausgenommenen Ringleitung 8, aus welcher die Bohrungen 9 zumindest annähernd tangential ausgehen, den Ringkörper 10 durchstoßen und in die Vormischkammer 5 einmünden. Im hier gezeigten Beispiel sind 5 Bohrungen 9 vorgesehen, deren Durchmesser 1/10-1/30 des mittleren Durchmessers der Vormischkammer 5 beträgt.

Fig. 4 zeigt einen weiteren Querschnitt durch die Brenn­ stoffdüse 1, und zwar bei der Einmündung der Zerstäubungs­ luft 11 in die Vormischkammer 5. Auch hier ist die zen­ trale, brennstofführende Leitung 3 ersichtlich. Konzen­ trisch dazu die zerstäubungsluftführende Ringleitung 11, aus der die Bohrungen 13 zumindest annähernd tangential ausgehen, um nach Durchstoßung des Ringkörpers 10 in die Vormischkammer 5 einzumünden. Das hier gezeigte Beispiel weist fünf in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Bohrungen 9, deren Durchmesser 1/15-1/25 des mittleren Durchmessers der Vormischkammer beträgt.

Claims (2)

1. Brennstoffdüse für Brennkammern von Gasturbinen mit je einer Zone für die Vormischung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen mit einem Teil der verdich­ teten Luft, wobei die Brennstoffe und die Zerstäu­ bungsluft individuell durch die Brennstoffdüse gelei­ tet werden und wobei die Brennstoffdüse in ein von der verdichteten Luft durchströmtes Vormisch/Vorver­ dampfungsrohr integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischzone zwischen flüssigem Brennstoff (4) und Zerstäubungsluft (11) aus einer an sich be­ kannten, außengelagerten Vormischkammer (5) besteht, in die der flüssige Brennstoff (4) und weiter abströ­ mungsseitig die Zerstäubungsluft (11) durch mehrere tangential angelegte Bohrungen (9; 13) einströmen, und wobei das Brennstoff/Luft-Gemisch aus der Vormisch­ kammer (5) durch mehrere in Umfangsrichtung der Brenn­ stoffdüse (1) eingeschnittene Spalte (14) in das Vormisch/Vorverdampfungsrohr (15) gegen die dort herrschende Strömungsrichtung der verdichteten Luft (2) ausströmt.

2. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (5) sich gegen die Mündung hin lavaldüsenartig (16) verengt.