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Verfahren zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff mittels Luft in
Brennkammern, insbesondere solche von Gasturbinenanlagen Die Zerstäubung von flüssigem
Brennstoff mittels Luft ist bekannt. Läßt man die Luft in Form eines Kegelmantels
auf den Brennstoffstrahl, der in dessen :@c'hse liegt, zufließen, so wird der Strahl
lang und dünn werden, was zu einer unerwünscht langen Flamme führt. Zudem ergibt
sich auf diese Weise ein nur grob aufgelöster Brennstoffkernsträhl. Diese Nachteile
bleiben bestehen, wie groß auch der Winkel an der Kegelspitze gemacht wird. F>ekannt
ist die Verwendung von Schnecken und ähnlichen Einrichtungen zur Erzeugung einer
um den Brennstoffstrahl rotierenden Luftströmung, welche diesen umhüllt und vom
Rand !her auflösen soll. Für größere Belastungen ist es jedoch bei Verwendung solcher
Einrichtungen meistens nötig, den Brennstoff schon vor dessen Berührung mit der
Zerstäubungsluft mittels Kanälen mit kleinem Querschnitt in einzelne Teile aufzulösen,
um die Bildung eines mangelhaft zerstäubten Kernstrahles zu verhindern. Eine derartige
Auflösung des Brennstoffzufuhrkanals in einzelne Teilkanäle ist jedoch mit dem Nachteil
verbunden, daB die Querschnitte dieser Teilkanäle klein sind und .durch Verunreinigungen
leicht verstopft werden..
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Diese Nachteile der bekannten Ausführungen will die vorliegende Erfindung
beheben. Die Erfindung
besteht darin, daß der Zerstäubungsluftstrorn
mindestens zum Teil in gerichtete Teilströme zerlegt wird, welche den Brennstoffstrahl
außerhalb dessen "Zentrum treffen und sowohl vor als auch nach der Berührung mit
dem Brennstoffstrahl mindestens einen Teil eines benachbarten Teilluftstromes kreuzen.
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Die Zeichnung zeigt schematisch zwei beispielsweise Ausfuhrungsformen
von Vorrichtungen für die Durchführung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen
Verfahrens und ein Schema für die Wirkungsweise.
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Fig. i und 2 zeigen einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt durch
die erste Ausführungsform; Fig. 3 und 4 zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt
durch die zweite Ausführungsform; Fig. 5 ist das Schema für die Wirkungsweise und
1# ig. 6 ein Schnitt zu Fig. 5 (längs Strahl 13).
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In Fig. i und 2 stellt das Gehäuse i die Luftdüse dar und trägt Segmente
2, die Kanäle 3 bilden. Die Kanäle 3 weisen bezüglich der Brennstoffstrahlachse
exzentrisch liegende Querschnittsmittellinien auf. Die Achsen der Luftzufuhrkanäle
3 können entweder parallel zur Brennstoffstrahlaclise verlaufen oder in einem bestimmten
Winkel dazu. Sie brauchen nicht, wie im Ausführungsbeispiel, auf einem Zylindermantel
zu liegen, sondern können auch auf irgendeiner anderen zur Strahlachse, syminetrischen
Fläche liegen, z. B. auf einer Ebene senkrecht zur Strahlachse.
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Die Brennstoffdüse 5 bildet einerseits die innere Begrenzung der Luftkanäle
3, anderseits zusammen mit dem Gehäuse i einen 'kegelmantelförmigen Ringraum 4.
In ihrem Zentrum liegt der Brennstoffzufuhrkanal 6 mit dessen Mündung 7. In Fig.
2 ist die Brennstoffdüse 5 weggelassen.
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Die Luftströmung folgt dem eingezeichneten Pfeil und führt zuerst
längs der Achse der Luftzufu'hrkanäle 3; sie biegt dann um und führt in Richtung
der exzentrisch liegenden Querschnittniittellinie durch den kegelförmigen Kingraum
4 gegen . die Brennstoffmündung 7. Wesentlich ist, daß die Strömung nicht auf die
Achse des Brennstoftstrahles gerichtet ist, sondern in einem gewissen Abstand an
dieser vorbeiführt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt also die Aufspaltung der Luft
in einzelne Teilströme durch die Kanäle 3, bevor sie in den Ringraum4 übertritt.
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Im Gegensatz hierzu wird die Luft im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 3 und 4 innerhalb desjenigen Abschnittes des Strömungsweges aufgespalten, der
auf dem Kegelmantel liegt. Ein Gehäuse 8 weist die äußere Begrenzung des Kegelmantels
auf. Luftkanäle 9 sind in die Kegelfläche des Gehäuses 8 eingearbeitet. Die Kanäle
könnten aber auch in der die andere Begrenzung bildenden Kegelfläche der Brennstoffdüse
io oder in beiden zugleich eingearbeitet sein. Wesentlich ist, daß die Kanäle so
gerichtet sind, daß deren Achsen an der Brennstoifstra,hlachse vorbeiführen gemäß
Fig.4. Im Zentrum der Brennstoffdüse io liegt der Breimstoffztiftilirkanal i i mit
dessen Mündung 12. In Fig. 4 ist die Brennstoffdüse io nicht eingezeichnet. Für
beide. gezeigten _#,usfülirungsbeispiele gilt, daß die Zahl der Kanäle beliebig
ist und der Größe der Düse angepaßt wird.
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Das Prinzip des Verfahrens und die Wirkungsweise der Vorrichtung nach
Fig. 3 und 4 können aus der schematischen Darstellung in Fig. 5 und 6 ersehen werden.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht gegen die Brermstoffstrahlachse und Fig.6 einen Schnitt
durch die Achse des Luftstrahles 13.
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Es «-erde der in Fig. 5 senkrecht von oben nach unten gerichtete Teilstrahl
13 betrachtet. Dieser 'verläuft parallel zur Richtung der Kegelmantellinie, also
in einem gewissen _Ilbstand von der zur Papierebene senkrechten .Achse des Brennstoffstra'hles.
Bei der Kreuzung mit dem Strahl 16 trifft er nicht dessen Achse, sondern er kommt,
wie in Fig. 5 angedeutet ist. (gegen die "Zeichnungsebene gesehen), unter dem Strahl
16 zu liegen. In Fig. 6 bedeutet dies, daß Strahl 13 links am Querschnitt des Strahles
16 vorbeiführt. Dadurch, daß die Strahlen nicht direkt aufeinandertreffen, vermag
also der Strahl 13 ohne wesentliche Behinderung den Brennstoffstrahl 17 auf dessen
einer Hälfte zu durcehdringen und einen Teil davon mitzureißen. Bei einem direkten
Auftreffen der Strahlen 13 und 16 würden sich die beiden gegeneinander ablenken
und als vereinigter Strahl mit einer mittleren Richtung weiterführen, wodurch der
Brennstoffkern nicht mehr getroffen und dadurch auch nicht mehr aufgelöst werden
könnte. Bei der nachfolgenden Kreuzung der Strahlen 13 und 14 wird der von Strahl
13 mitgerissene Brennstoff an der Berührungsstelle der beiden Strahlen fein zerrissen
und verteilt. ' Der Brennstoff kann in einem Kanal mit genügend großen Querschnitten
zugeführt werden, so daß Verunreinigungen im Brennstoff keinen Einflluß auf die
Funktionsfähigkeit auszuüben vermögen.
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Es kann mit diesem Verfahren ein kurzer, breiter Strahl erreicht werden.
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Durch ein gegenseitiges axiales Verschieben der beiden Düsenteile
8 und io im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 läßl sich eine Regulierung der
Strahlform bewirken, indem durch diese Maßnahme zusätzlich zu den exzentrisch gerichteten
Kanälen auch der übrige Teil des Kegelmantels freigelegt wird. Durch diesen kegelmantelförmigen
Ringraum erfolgt nun eine mit der Verschiebung veränderlich starke Luftströmung,
die auf die Kegelspitzen zufließt. Durch diesen zusätzlichen Strömungsteil erhält
die Gesamtströmung eine größere axiale Komponente, und es resultiert daraus ein
längerer Strahl.
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Die gleiche Wirkung einer Strahlregulierung erhält man auch beim Ausführungsbeispiel
nach Fig. i und 2 durch eine gegenseitige axiale Verschiebung der beiden Düsenteile
i und 5, womit der Strömungsquerschnitt des kegelmaiitelförmigen Ringraumes 4 verändert
wird,. Je größer dieser im Verhältnis zum festbleibenden Mündungsquerschnitt der
Luftdüse i wird, um so weniger wird sich die durch die Kanäle vorgegebene exzentrisch
gerichtete
Str<iniung ausbilden können, d. h. um so mehr wird sich eine achsenparallele
Strömung und damit ein längerer Strahl ergeben.
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Durch das gegenseitige axiale Verschieben der beiden Düsenteile i
und 5 bzw. 8 und io läßt sich auch eine Regulierung der Brennstoffzufuhr erreichen.
Durch die Veränderung des Strömungs= querschnittes des Ringraumes 4 gegenüber dem
:Mündungsquerschnitt der Luftdüse wird sieh an der Brennstotftnündung infolge Stauwirkung
ein variabler Druck einstellen. Wenn der Brennstoff Ohne große \lündungsgeschwindigIkeit
zugeführt wird, (I. h. wenn die Druckdifferenz Tiber die Brenn stoffzuleitung nur
die auftretenden Strömungsverluste (lecken muß, so kann diese Druckvariation an
der Brennstoffmündung zur Regulierung der Brennstoffzufuhr verwendet werden.
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Die für die Zerstäubung des Brennstoffes nötige Luft kann hei Verwendung
des Verfahrens in einer Gasturb nenanlage direkt dem Gasturbinenkreislauf etittiomnien
werden. Es ist dabei möglich, zur Erzeugung der erforderlichen Mündungsgeschwindigkeit
die Druckdifferenz zu verwenden, die sich aus den Druckverlusten der Arbeitsluft
auf ihrem Weg zwischen l,.tittialitnestelle der Zerstäubungsluft und lirentikamtner
Ohnehin ergibt. Es braucht also keine zusätzliche Drosselung im Kreislaufweg der
Arbeitsluft in Kauf genommen zu werden.