DE4422532A1 - Brennstoffdüse - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei Brennkammern von Gasturbinen, die mit einem flüssigen Brennstoff (Brennöl) ganz oder teilweise betrieben werden, stellt die Art der Brennstoff-Aufbereitung vor der eigentli­ chen Verbrennung eine sehr wichtige Komponente im Lichte ei­ ner schadstoffarmen und rauchfreien Verbrennung dar. Vor al­ len bereitet die Minimierung der NOx-Emissionen immer wieder Schwierigkeiten, gegen welche verschiedene Methoden einge­ setzt werden. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß eine feine Zerstäubung und eine optimale Vermischung des Brennöls mit Verbrennungsluft allein noch nicht genügt, um tiefe NOx- Emissionswerte zu erhalten.

Eine praktizierte Methode zur Minimierung der NOx-Emissionen besteht darin, eine bestimmte Menge Wasser allgemein dem Ver­ brennungsprozeß beizugeben. Dabei muß berücksichtigt wer­ den, daß die Bildung einer Emulsion aus Wasser und Brennöl gewisse anlagetechnische Nachteile mit sich bringt, abgesehen davon, daß eine solche Emulsionsbildung stromauf der Ver­ brennung größere Volumina benötigt, welche bei Brenn­ stofflanzen nicht unbedingt zur Verfügung stehen.

Zur Reduzierung der NOx-Emissionen ist ein weiterer Vorschlag bekanntgeworden, bei welchem die Eindüsung des flüssigen Brennstoffes in den Brennraum zunächst über eine Druckzer­ stäubungsdüse erfolgt. Parallel dazu wird Wasser radial oder quasi-radial direkt in den Zerstäubungskegel des Brennstoffes eingedüst. Die vorzugsweise Anwendung dieser Technik hängt damit zusammen, daß zu einer guten Minimierung der NOx-Emis­ sionen auf 100% Brennstoff ca. 100-150% Wasser nötig sind, weshalb eine vorgängige Emulsionsbildung aus geometrischen Überlegungen, was die Größe der Düse betrifft, scheitert. An sich bewirkt die Technik mit der direkten Wassereinspri­ tzung eine gute Minimierung der NOx-Emissionen, auch wenn festzustellen ist, daß hier die NOx-Emissionen leicht höher gegenüber der Emulsionsmethode ausfallen.

Allerdings können bei der Technik der direkten Wasserein­ spritzung starke Flammenpulsationen entstehen, welche die zu­ lässigen Grenzen bei weitem übersteigen.

Dies dürfte damit im Zusammenhang stehen, daß die direkt in den Brennstoffkegel eingebrachten Wasserstrahlen auf den Flammenkörper eine derart störende Wirkung entfalten, daß dadurch Flammenschwingungen entstehen. Daraus machen sich in­ nerhalb der Brennkammer Instabilitäten breit, welche einen störungsfreien Betrieb nicht mehr gewährleisten.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennstoffdüse der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, welche die Flammenschwingungen bei minimierten NOx-Emissionen aus der Verbrennung zu unter­ drücken vermögen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß zunächst, was die Eindüsung des Brennstoffes betrifft, von einer konventionellen Brennstoffdüse ausgegangen wird, d. h., die vorzugsweise auf Druckzerstäubung arbeitende Düse bildet in Strömungsrichtung einen Brennstoffkegel mit einem Öffnungswinkel von ca. 90°, und dies bei minimierter Trop­ fengröße.

Das Wasser wird innerhalb der Brennstoffdüse in etwa parallel zur Brennstofführung Richtung Brennstoffkegel geführt. Etwa auf gleicher Höhe mit der Entstehung des Brennstoffkegels weist die kopfseitige Partie der Brennstoffdüse Mittel auf, welche dem in den Brennraum strömenden Wasser ebenfalls eine Kegelform aufzwingen, dergestalt, daß dieser Wasserkegel den Brennstoffkegel integral ummantelt. Der Vorteil ist hier darin zu sehen, daß die eingebrachte Wassermenge lediglich eine Verdickung des Brennstoffkegels bildet, womit eine Stö­ rung des Flammenkörpers nicht mehr gegeben ist. Weil die Ge­ mischbildung zwischen den beiden Medien kontinuierlich ab­ läuft und keine Störung mehr bei der Bildung der Flamme aus­ gelöst werden, läuft die Verbrennung zunächst pulsationsfrei ab, gleichzeitig auch mit einem minimierten NOx-Ausstoß, der demjenigen in Verbindung der Emulsionsmethode entspricht.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht er­ forderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszei­ chen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfei­ len angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1, 2 eine Zerstäubungsdüse mit Drallelementen zur Erzeugung des ummantelnden Wasserkegels und

Fig. 3, 4 eine Zerstäubungsdüse mit einer Brause zur Erzeugung des ummantelnden Wasserkegels.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Fig. 1 zeigt den Teillängsschnitt einer Brennstoffdüse 1, welche nach dem Druckzerstäubungsprinzip arbeitet. Durch In­ nenraum 2 wird ein flüssiger Brennstoff 3 herangeführt, wobei es sich wechselweise auch um einen gasförmigen Brennstoff handeln kann. Für die nachfolgenden Betrachtungen wird zu­ grundegelegt, daß es sich beim Brennstoff 3 um ein Brennöl handelt, wobei dann der Innenraum entsprechend ausgelegt sein muß. Eine zum Innenraum 2 konzentrische Ringleitung 4 führt Wasser 5 zur Spitze der Brennstoffdüse 1 heran. Die beiden konzentrischen Rohre 2a und 4 schließen abströmungsseitig der Brennstoffdüse 1 eine Öldüse 6 ein, durch welche das Brennöl 3 in den Brennraum 7 eingedüst wird. Diese Öldüse 6 arbeitet nach dem Druckzerstäubungsprinzip, wobei stromauf dieser Öldüse 6 nicht ersichtliche Mittel vorhanden sind, welche eine starke Umfangsdrallbewegung mit einer axialen Strömungskomponente auslösen. Diese beiden Strömungskompo­ nente pflanzen sich über die Öffnung der Öldüse 6 fort und bilden im Brennraum 7 einen Brennstoffkegel 8, dessen Öff­ nungswinkel ca. 90° beträgt. Die Drallbewegung des Brennöls 3 wird beispielsweise durch tangentiale Durchgangsöffnungen er­ zeugt, durch welche der Brennstoff in einen Vorraum der Öl­ düse 6 geleitet wird; die axiale Strömungskomponente ist ein Teil der ursprünglichen Geschwindigkeit des Brennstoffes. Eine solche Konstruktion ist beispielsweise in "Arthur H. Lefebre, Gas Turbine Combustion, New York 1983, Seite 390, Fig. 10.9" ersichtlich und beschrieben. Um unnötige Wiederho­ lungen zu vermeiden, wird auf diese Publikation hingewiesen. Der Durchgangskanal 9 zwischen Rohr 2a und 4 endet im Bereich der Öldüse 6 in ein System von Drallerzeugern 10, welche dem Wasser 5 ebenfalls eine ähnliche Kegelbildung wie diejenige des Brennöls 3 aufzwingen. Dieser Wasserkegel 11 ist an sich hohl und ummantelt den Brennstoffkegel 8, dergestalt, daß die Flamme aus dieser Wassereinbringung keine Instabilitäten erfährt. Die vorherrschenden Temperaturen in diesem Bereich bringen das Wasser 5 sehr rasch zur Verdampfung, wobei die Flamme dann mit diesem Medium fortlaufend sanft gespeist wird. Diese schonende Wassereinbringung ist mengenmäßig nicht beschränkt, so daß gezielt auf die Flammentemperatur eingewirkt werden kann. Eine solche Verbrennung läuft bei minimierten NOx-Emissionen weitgehend pulsationsfrei ab, auf jeden Fall weit unterhalb der tolerierten Werten. Ein wei­ teres konzentrisches Rohr 12 schafft zum innenliegenden Rohr 4 einen weiteren Durchströmungskanal 14, durch welchen nach Bedarf eine Teilmenge der Verbrennungsluft 13a zu Misch- oder Kühlzwecken in die Brennstoffdüse eingeführt wird. Dieses Rohr 12, das lediglich die Spitze der Brennstoffdüse 1 ab­ deckt, wird gegenüber den Innenrohren 4, 2a durch am Umfang verteilte Supporte 15 beabstandet. Es bleibt noch anzumerken, daß die Brennstoffdüse 1 radiale Flügel 16 aufweist, welche der Hauptströmung der Verbrennungsluft 13 in den Brennraum 7 einen Drall aufzwingen.

Fig. 2 ist eine Ansicht von II und zeigt die Geometrie und die stirnseitige Verteilung der Drallerzeuger 10. Die Geome­ trie und die stirnseitige Verteilung der Drallerzeuger 10 ha­ ben die Aufgabe, einen Wasserkegel 11 mit feiner Tropfenbil­ dung zu erzeugen sowie eine echte Ummantelung des Brennstoff­ kegels 8 zu bilden, ohne dabei die Struktur dieses letztge­ nannten Kegels 8 zu stören.

Fig. 3 unterscheidet sich gegenüber Fig. 1 nur insofern, als hier zur Bildung des Wasserkegels 17a, 17b stirnseitig der Brennstoffdüse 1 eine andere Konfiguration zur Anwendung ge­ langt. Diese besteht, wie Fig. 4 zeigt, aus vielen Bohrungen 18, welche konzentrisch und nebeneinander innerhalb der brennraumseitigen Stirnwand 19 angeordnet sind. Die Wirkung daraus ist diejenige einer Brause, wobei die Wasserkegel 17a, 17b den Brennstoffkegel 8 ebenfalls ummanteln, entsprechend den konzentrischen Lagen der Bohrungen 18. Eine Ummantelung des Brennstoffkegels (8) läßt sich hier gut erreichen, wenn die Ausströmungsrichtung der Bohrungen 18 gegenüber dem Brennstoffkegel 8 entsprechend abgewinkelt ist. Die Wirkung ist indessen dieselbe wie bei den Drallerzeugern aus Fig. 1.

Bezugszeichenliste

1 Brennstoffdüse
2 Innenraum, brennstofführender Kanal
2a Wand des brennstofführenden Kanals
3 Brennstoff, Brennöl
4 Ringleitung, Ringkanal
5 Wasser
6 Öldüse
7 Brennraum
8 Brennstoffkegel
9 Durchgangskanal
10 Drallerzeuger
11 Wasserkegel
12 Rohr
13 Verbrennungsluft-Hauptstrom
13a Verbrennungsluft-Teilstrom
14 Durchströmungskanal
15 Supporte
16 Flügel
17a Wasserkegel
17b Wasserkegel
18 Bohrungen
19 Brennraumseitige Stirnwand

Claims (4)

1. Brennstoffdüse für Brennkammer von Gasturbinen, im wesentli­ chen bestehend aus einem brennstofführenden Kanal, und minde­ stens einem weiteren zu diesem konzentrisch angeordneten Ka­ nal, wobei der Körper der Brennstoffdüse endseitig mit einer brennstoffbeaufschlagten Düse endet, welche einen Brennstoff­ kegel bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere mit einem flüssigen Medium (5) durchströmte Kanal (9) im Bereich des Austrittes der brennstoffbeaufschlagten Düse (6) Mittel (10, 18) zur Bildung eines hohlen den Brennstoffkegel (8) um­ mantelnden Strömungskegels (11; 17a, 17b) aufweist.

2. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung des Strömungskegels (11) Drallerzeuger (10) sind, welche am Ende und im Umfangsrichtung des Kanals (9) angeordnet sind.

3. Brennstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung des Strömungskegels (17a, 17b) ein­ zelne Bohrungen (18) sind, welche Durchgänge durch die brenn­ raumseitige Stirnwand (19) des Kanals (9) bilden.

4. Brennstoffdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (18) entlang mehrerer konzentrischer Kreise innerhalb der brennseitigen Stirnwand (19) angeordnet sind.