EP0711953A2 - Premix burner - Google Patents
Premix burnerInfo
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- EP0711953A2 EP0711953A2 EP95810671A EP95810671A EP0711953A2 EP 0711953 A2 EP0711953 A2 EP 0711953A2 EP 95810671 A EP95810671 A EP 95810671A EP 95810671 A EP95810671 A EP 95810671A EP 0711953 A2 EP0711953 A2 EP 0711953A2
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
- F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
- F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
- F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
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- F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
- F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
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- F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
Definitions
- the invention relates to a low-pollutant premix burner of the double-cone type for operating an internal combustion engine, a combustion chamber of a gas turbine group or firing system with a high-pressure atomization nozzle arranged in the tip of the cone cavity for atomizing liquid fuel, the nozzle being designed with or without turbulence chamber and having at least two nozzle bores with the Interior of the burner communicates.
- Atomizer burners are known in which the oil which is burned is finely divided mechanically. It is broken down into fine droplets of approximately 10 to 400 ⁇ m in diameter (oil mist), which evaporate and burn in the flame when mixed with the combustion air.
- pressure atomizers see Lueger - Lexikon dertechnik, Manual Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965, Volume 7, p.600
- the oil is supplied to an atomizing nozzle by an oil pump at a pressure of approx. 4 to 25 bar.
- the oil enters a swirl chamber via essentially tangential slots and leaves the nozzle via a nozzle bore. It is thereby achieved that the oil particles receive two components of motion, an axial and a radial.
- Swirl nozzles pressure atomizers
- air-assisted atomizers of the known types with a pressure of up to approx. 100 bar are hardly suitable for this because they do not allow a small angle of spread, the atomization quality is limited and the impulse of the drop spray is low.
- This consists of a nozzle body, in which a turbulence chamber is formed, which is connected to an outside space via at least one nozzle bore, and which has at least one supply channel for the liquid to be atomized, which can be supplied under pressure. It is characterized in that the cross-sectional area of the feed channel opening into the turbulence chamber is larger by a factor of 2 to 10 than the cross-sectional area of the nozzle bore.
- This arrangement makes it possible to generate a high level of turbulence in the turbulence chamber, which does not subside on the way to the point of exit from the nozzle.
- the fluid jet is caused to decay rapidly by the turbulence generated in front of the nozzle bore in the outside space, that is to say after leaving the nozzle bore, resulting in low angles of propagation of 20 ° and less.
- the droplet size is also very small. The only disadvantage is the loss of fuel pulse in the turbulence generator, which does not allow directed introduction.
- the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of creating a low-pollutant premix burner of the double-cone type, which has a high-pressure atomizing nozzle for atomizing liquid fuel, which is of simple construction and with which a very good atomization quality with a high fuel pulse is achieved.
- the advantages of the invention include in the fact that in the high-pressure atomization nozzle according to the invention, a fine atomization of the fuel is associated with a high fuel pulse and thus rapid evaporation of the fuel and good premixing of the fuel spray with the combustion air are achieved.
- the high-pressure atomizing nozzle is simple in design, easily accessible inside the burner and is characterized by a small space requirement in the tip of the burner.
- the fuel can be injected specifically into zones of high air speed. The need to add water to reduce NOx emissions is eliminated, because due to the above fine atomization, rapid evaporation of the fuel and the good premixing of the fuel spray with the combustion air, the NOx emissions are very low.
- nozzle bores of the high-pressure atomization nozzle are aligned with the air inlet slots of the conical partial bodies, because in this case the premixing of the fuel spray with the incoming combustion air is most intensive.
- the high-pressure atomization nozzle is a turbulence-assisted high-pressure nozzle with a turbulence chamber arranged in front of the nozzle bores, the turbulence chamber being delimited by a tube, a conical cover of the tube in which the nozzle bores are arranged, and by a filler with at least one feed opening , which is preferably arranged centrally in the filler.
- the turbulence generated in front of the nozzle bore causes a rapid disintegration of the liquid jet and a particularly fine drop spray achieved.
- the resulting drop spray is also characterized by small spreading angles.
- a high-pressure orifice nozzle is advantageously used as the high-pressure atomizing nozzle, which consists of a tube and a conical cover of the tube in which the nozzle openings are arranged.
- a very high fuel pulse is achieved, which enables the fuel spray to penetrate deeply into the combustion air.
- nozzle bores are arranged in the outer third of the conical cover near the wall of the tube. Then very good atomization qualities are achieved.
- the drawing shows two exemplary embodiments of the invention using a double-cone burner for operating a gas turbine.
- FIG. 1 schematically shows a section through the premix burner, which essentially consists of two partial cone bodies 1, 2 and whose basic structure is described in EP 0 321 809 B1.
- FIG. 2 and the sections shown in FIGS. 3 to 5 are used at the same time.
- Fig. 2 shows a perspective view of the double-cone burner with integrated premixing zone.
- the two partial cone bodies 1, 2 are arranged radially offset from one another with respect to their longitudinal symmetry axes 1b, 2b. This creates tangential air inlet slots on both sides of the partial cone bodies 1, 2 in the opposite inflow arrangement 19, 20, through which the combustion air 15 flows into the interior 14 of the burner, ie into the cone cavity formed by the two partial cone bodies 1, 2.
- the partial cone bodies 1, 2 expand in a straight line in the direction of flow, ie they have a constant angle ⁇ with the burner axis 5.
- the two partial cone bodies 1, 2 each have a cylindrical starting part 1a, 2a, which also run offset.
- this cylindrical starting part 1a, 2a there is a high-pressure atomization nozzle 3 with at least two nozzle openings 11, which are arranged approximately in the narrowest cross section of the conical interior 14 of the burner.
- the burner can also be designed without a cylindrical initial part, that is to say purely conical.
- the two partial cone bodies 1, 2 each have a fuel feed line 8, 9 along the air inlet slots 19, 20, which are provided on the long side with openings 17 through which another fuel 13 (gaseous or liquid) flows.
- This fuel 13 is mixed with the combustion air 15 flowing through the tangential air inlet slots 19, 20 into the interior of the burner, which is represented by the arrows 16. Mixed operation of the burner via the nozzle 3 and the fuel feeds 8, 9 is possible.
- a front plate 10 is arranged with openings 11, through which dilution air or cooling air can be supplied to the combustion chamber 22 if necessary. In addition, this air supply ensures that flame stabilization takes place at the burner outlet. There is a stable flame front 7 with a backflow zone 6.
- guide plates 21 a, 21 b can be seen from FIGS. 3 to 5. These can be opened or closed, for example, about a pivot point 23, so that the original gap size of the tangential air inlet slots is thereby 19, 20 is changed. Of course, the burner can also be operated without these baffles 21a, 21b.
- FIG. 6 shows a turbulence-assisted high-pressure atomization nozzle 3, which, as shown in FIG. 1 or FIG. 2, is arranged in the cone tip of the burner. It consists of a tube 26 which surrounds a feed channel 24 and a turbulence chamber 25. The tube 26 is closed by a conical cover 27 in which there are two nozzle bores 18 in the outer third near the tube wall. These nozzle bores 18 establish the connection between the turbulence chamber 25 located in the tube 26 and the interior 14 (cone cavity) of the burner. The turbulence chamber 25 is delimited next to the pipe 26 by a filler 28 and the cover 27 of the pipe 26.
- a feed opening 29 for the fuel 12 to be atomized is arranged in the center.
- This opening can of course also be arranged off-center or there can be a plurality of feed openings 29. It is advantageous if the feed opening 29 has a cross section which narrows in the direction of flow, as shown in FIG. 6.
- the fuel 12 to be atomized flows under a pressure of greater than 100 bar via the feed line 24 and the opening 29 into the turbulence chamber 25, which has an abruptly widening cross section with respect to the feed opening 29.
- the fuel jet hits the cone tip of the conical lid 27.
- a high level of turbulence is generated by intensive shearing and the rebounding of the jets from the surface of the lid, which does not subside on the short path until it emerges from the nozzle.
- the fluid jet is brought to rapid decay by the turbulence in the burner interior 14 generated in front of the two nozzle bores 18, which results in very small angles of propagation.
- the fuel 12 is atomized well by the high momentum and the high relative speed to the air. It has a high penetration depth and thus leads to a high level of mixing.
- the fuel is distributed very well in the combustion air stream 15 along the burner wall. It mixes very well along the cone in the fresh air flow at the end of the burner, so that an excellent premixing is achieved, which has a favorable effect on a low value of the pollutant emissions.
- Fig. 7 shows a second embodiment.
- the high-pressure atomizing nozzle 3 is a multi-hole high-pressure orifice nozzle, the structure of which is the same as the above. corresponds to turbulence-assisted nozzle, although of course there is no turbulence chamber in the orifice nozzle.
- the achievable fuel drop size is somewhat larger under comparable conditions to the first exemplary embodiment (see Fig. 8), but a high fuel pulse can be achieved for this, which also results in the above-mentioned through the targeted injection into zones of high air speed. Advantages leads.
- the cross section of the nozzle 3, its position and the direction of injection result from the desired throughput (depending on the form) taking into account sufficiently high Reynolds numbers in the nozzle bores 18.
- the diagram shown in FIG. 8 illustrates the dependence of the droplet diameter d T on the admission pressure p for various Limit diameter of the drop mass distribution.
- Dx denotes the limit diameter that x mass% of all particles fall below.
- SMD is the Sauter diameter, i.e. the diameter of a droplet that has the same surface to volume ratio as the total jet.
- the high pressure atomization nozzle on which the diagram is based was charged with water and had the following parameters: Diameter of the nozzle 10.0 mm Feed channel diameter 8.0 mm Diameter of the feed opening in the filler 1.8 mm Diameter of the nozzle bores 0.6 mm Length of the turbulence chamber 7.0 mm.
- FIG. 9 shows the dependence of the atmospheric NOx emission values on the flame temperature and the type of nozzle used for atomizing the liquid fuel. Turbulence-assisted two-hole high-pressure nozzles with different angles ⁇ between the fuel injection and the burner axis were examined (11 °, 15 °, 20 °). The cone half angle ⁇ of the burner was 10.95 ° in each case. In comparison to pressure atomizing nozzles (swirl nozzles), when using the high pressure atomizing nozzles 3 according to the invention with two nozzle bores 18 directed towards the air inlet slots 19, 20, premix burners of the double-cone type achieve significantly lower NOx emission values.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen schadstoffarmen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage mit einer in der Spitze des Kegelhohlraumes angeordneten Hochdruckzerstäubungsdüse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff, wobei die Düse mit oder ohne Turbulenzkammer ausgebildet ist und über mindestens zwei Düsenbohrungen mit dem Innenraum des Brenners in Verbindung steht.The invention relates to a low-pollutant premix burner of the double-cone type for operating an internal combustion engine, a combustion chamber of a gas turbine group or firing system with a high-pressure atomization nozzle arranged in the tip of the cone cavity for atomizing liquid fuel, the nozzle being designed with or without turbulence chamber and having at least two nozzle bores with the Interior of the burner communicates.
Bekannt sind Zerstäuberbrenner, in denen das zur Verbrennung gelangende Öl mechanisch fein verteilt wird. Es wird in feine Tröpfchen von ca. 10 bis 400 µm Durchmesser (Ölnebel) zerlegt, die unter Mischung mit der Verbrennungsluft in der Flamme verdampfen und verbrennen. In Druckzerstäubern (s. Lueger - Lexikon der Technik, Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965, Band 7, S.600) wird durch eine Ölpumpe das Öl unter einem Druck von ca. 4 bis 25 bar einer Zerstäuberdüse zugeführt. Über im wesentlichen tangential verlaufende Schlitze gelangt das Öl in eine Wirbelkammer und verlässt die Düse über eine Düsenbohrung. Dadurch wird erreicht, dass die Ölteilchen zwei Bewegungskomponenten, eine axiale und eine radiale, erhalten. Der als rotierender Hohlzylinder aus der Düsenbohrung austretende Ölfilm weitet sich aufgrund der Fliehkraft zu einem Hohlkegel aus, dessen Ränder in instabile Schwingungen geraten und zu kleinen Öltröpfchen zerreissen. Das zerstäubte Öl bildet einen Kegel mehr oder weniger grossen Öffnungswinkels.Atomizer burners are known in which the oil which is burned is finely divided mechanically. It is broken down into fine droplets of approximately 10 to 400 µm in diameter (oil mist), which evaporate and burn in the flame when mixed with the combustion air. In pressure atomizers (see Lueger - Lexikon der Technik, Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965,
Bei der schadstoffarmen Verbrennung von mineralischen Brennstoffen in modernen Brennern, beispielsweise in Vormischbrennern der Doppelkegelbauart, die in ihrem prinzipiellen Aufbau in EP 0321 809 B1, beschrieben sind, werden aber besondere Anforderungen an die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes gestellt. Diese sind vor allem folgende:
- 1. Die Tröpfchengrösse muss gering sein, damit die Öltröpfchen vor der Verbrennung vollständig verdampfen können.
- 2. Der Öffnungswinkel (Ausbreitungswinkel) des Ölnebels soll klein sein.
- 3. Die Tropfen müssen eine hohe Geschwindigkeit und einen hohen Impuls haben, um weit genug in den verdichteten Verbrennungsluftmassenstrom eindringen zu können, damit sich der Brennstoffdampf vollständig mit der Verbrennungsluft vor Erreichen der Flammenfront vormischen kann.
- 1. The droplet size must be small so that the oil droplets can evaporate completely before combustion.
- 2. The opening angle (angle of spread) of the oil mist should be small.
- 3. The drops must have a high speed and a high momentum in order to be able to penetrate far enough into the compressed combustion air mass flow so that the fuel vapor can completely premix with the combustion air before reaching the flame front.
Dralldüsen (Druckzerstäuber) und luftunterstützte Zerstäuber der bekannten Bauarten mit einem Druck bis zu ca. 100 bar sind dafür kaum geeignet, weil sie keine kleine Ausbreitungswinkel erlauben, die Zerstäubungsqualität eingeschränkt ist und der Impuls des Tropfensprays gering ist.Swirl nozzles (pressure atomizers) and air-assisted atomizers of the known types with a pressure of up to approx. 100 bar are hardly suitable for this because they do not allow a small angle of spread, the atomization quality is limited and the impulse of the drop spray is low.
Als Folge dieser ungenügenden Verdampfung und Vormischung des Brennstoffes ist deshalb eine Wasserzugabe zum Absenken der Flammentemperatur und damit der NOx-Bildung notwendig. Da das zugeführte Wasser oftmals auch Flammenzonen stört, die zwar an sich wenig NOx erzeugen, aber für die Flammenstabilität sehr wichtig sind, treten häufig Instabilitäten, wie Flammenpulsation und/oder schlechter Ausbrand auf, was zum Anstieg des CO-Ausstosses führt.As a result of this insufficient evaporation and premixing of the fuel, it is necessary to add water to lower the flame temperature and thus NOx formation. Since the water supplied often disturbs flame zones, which in themselves do not generate much NOx, but are very important for flame stability, instabilities such as flame pulsation often occur and / or poor burnout, which leads to an increase in CO emissions.
Eine Verbesserung ist mit der in EP 0 496 016 A1 offenbarten Hochdruckzerstäuberdüse zu erreichen. Diese besteht aus einem Düsenkörper, in welchem eine Turbulenzkammer ausgebildet ist, welche über mindestens eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht, und welche mindestens einen Zufuhrkanal für die unter Druck zuführbare zu zerstäubende Flüssigkeit aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des in die Turbulenzkammer mündenden Zufuhrkanales um den Faktor 2 bis 10 grösser ist als die Querschnittsfläche der Düsenbohrung. Durch diese Anordnung gelingt es, in der Turbulenzkammer ein hohes Turbulenzniveau zu erzeugen, das auf dem Weg bis zum Austritt aus der Düse nicht abklingt. Der Flüssigkeitsstrahl wird durch die vor der Düsenbohrung erzeugte Turbulenz im Aussenraum, also nach Verlassen der Düsenbohrung zum raschen Zerfall gebracht, wobei sich niedrige Ausbreitungswinkel von 20 ° und weniger ergeben. Die Tröpfchengrösse ist ebenfalls sehr niedrig. Nachteilig ist lediglich der Verlust an Brennstoffimpuls im Turbulenzerzeuger, der keine gerichtete Einbringung erlaubt.An improvement can be achieved with the high pressure atomizing nozzle disclosed in EP 0 496 016 A1. This consists of a nozzle body, in which a turbulence chamber is formed, which is connected to an outside space via at least one nozzle bore, and which has at least one supply channel for the liquid to be atomized, which can be supplied under pressure. It is characterized in that the cross-sectional area of the feed channel opening into the turbulence chamber is larger by a factor of 2 to 10 than the cross-sectional area of the nozzle bore. This arrangement makes it possible to generate a high level of turbulence in the turbulence chamber, which does not subside on the way to the point of exit from the nozzle. The fluid jet is caused to decay rapidly by the turbulence generated in front of the nozzle bore in the outside space, that is to say after leaving the nozzle bore, resulting in low angles of propagation of 20 ° and less. The droplet size is also very small. The only disadvantage is the loss of fuel pulse in the turbulence generator, which does not allow directed introduction.
Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen schadstoffarmen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart zu schaffen, der eine Hochdruckzerstäubungsdüse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff aufweist, die einfach aufgebaut ist und mit welcher eine sehr gute Zerstäubungsqualität bei gleichzeitig hohem Brennstoffimpuls erreicht wird.The invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of creating a low-pollutant premix burner of the double-cone type, which has a high-pressure atomizing nozzle for atomizing liquid fuel, which is of simple construction and with which a very good atomization quality with a high fuel pulse is achieved.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass die Düsenaustrittsbohrungen der Hochdruckzerstäubungsdüse auf die Zonen hoher Luftgeschwindigkeit ausgerichtet sind und der Winkel des Brennstoffsprays zur Achse des Brenners mindestens so gross ist wie der Kegelhalbwinkel des Brenners.According to the invention, this becomes thereby in a premix burner of the double cone type according to the preamble of
Die Vorteile der Erfindung bestehen u.a. darin, dass bei der erfindungsgemässen Hochdruckzerstäubungsdüse eine feine Zerstäubung des Brennstoffes mit einem hohen Brennstoffimpuls verbunden ist und damit eine schnelle Verdampfung des Brennstoffes sowie eine gute Vormischung des Brennstoffsprays mit der Verbrennungsluft erreicht werden. Die Hochdruckzerstäubungsdüse ist einfach aufgebaut, gut innerhalb des Brenners zugänglich und zeichnet sich durch einen nur geringen Platzbedarf in der Brennerspitze aus. Der Brennstoff kann gezielt in Zonen hoher Luftgeschwindigkeit eingespritzt werden. Die Notwendigkeit der Zugabe von Wasser zwecks Herabsenkung der NOx-Emissionen entfällt, denn aufgrund der o.g. feinen Zerstäubung, schnellen Verdampfung des Brennstoff und der guten Vormischung des Brennstoffsprays mit der Verbrennungsluft sind die NOx-Emissionen sehr gering.The advantages of the invention include in the fact that in the high-pressure atomization nozzle according to the invention, a fine atomization of the fuel is associated with a high fuel pulse and thus rapid evaporation of the fuel and good premixing of the fuel spray with the combustion air are achieved. The high-pressure atomizing nozzle is simple in design, easily accessible inside the burner and is characterized by a small space requirement in the tip of the burner. The fuel can be injected specifically into zones of high air speed. The need to add water to reduce NOx emissions is eliminated, because due to the above fine atomization, rapid evaporation of the fuel and the good premixing of the fuel spray with the combustion air, the NOx emissions are very low.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die Düsenbohrungen der Hochdruckzerstäubungsdüse auf die Lufteintrittsschlitze der kegeligen Teilkörper ausgerichtet sind, weil in diesem Falle die Vormischung des Brennstoffsprays mit der eintretenden Verbrennungsluft am intensivsten ist.It is particularly expedient if the nozzle bores of the high-pressure atomization nozzle are aligned with the air inlet slots of the conical partial bodies, because in this case the premixing of the fuel spray with the incoming combustion air is most intensive.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Hochdruckzerstäubungsdüse eine turbulenzunterstützte Hochdruckdüse mit einer vor den Düsenbohrungen angeordneten Turbulenzkammer ist, wobei die Turbulenzkammer begrenzt wird von einem Rohr, einem kegeligen Deckel des Rohres, in welchem die Düsenbohrungen angeordnet sind, und von einem Füllstück mit mindestens einer Zufuhröffnung, welche vorzugsweise mittig im Füllstück angeordnet ist. Durch die vor der Düsenbohrung erzeugte Turbulenz werden ein rascher Zerfall des Flüssigkeitstrahles und ein besonders feines Tropfenspray erzielt. Das entstehende Tropfenspray zeichnet sich ausserdem durch kleine Ausbreitungswinkel aus.It is also advantageous if the high-pressure atomization nozzle is a turbulence-assisted high-pressure nozzle with a turbulence chamber arranged in front of the nozzle bores, the turbulence chamber being delimited by a tube, a conical cover of the tube in which the nozzle bores are arranged, and by a filler with at least one feed opening , which is preferably arranged centrally in the filler. The turbulence generated in front of the nozzle bore causes a rapid disintegration of the liquid jet and a particularly fine drop spray achieved. The resulting drop spray is also characterized by small spreading angles.
Schliesslich wird mit Vorteil als Hochdruckzerstäubungsdüse eine Hochdruck-Blendendüse verwendet, welche aus einem Rohr und einem kegeligen Deckel des Rohres, in welchem die Düsenöffnungen angeordnet sind, besteht. In diesem Falle wird ein sehr hoher Brennstoffimpuls erreicht, der ein tiefes Eindringen des Brennstoffsprays in die Verbrennungsluft ermöglicht.Finally, a high-pressure orifice nozzle is advantageously used as the high-pressure atomizing nozzle, which consists of a tube and a conical cover of the tube in which the nozzle openings are arranged. In this case, a very high fuel pulse is achieved, which enables the fuel spray to penetrate deeply into the combustion air.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Düsenbohrungen im äusseren Drittel des kegeligen Deckel nahe der Wand des Rohres angeordnet sind. Dann werden sehr gute Zerstäubungsqualitäten erreicht.It is also advantageous if the nozzle bores are arranged in the outer third of the conical cover near the wall of the tube. Then very good atomization qualities are achieved.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Doppelkegelbrenners zum Betrieb einer Gasturbine dargestellt.The drawing shows two exemplary embodiments of the invention using a double-cone burner for operating a gas turbine.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Ansicht eines Doppelkegelbrenners;
- Fig. 2
- einen Brenner gemäss Fig. 1 in perspektivischer Darstellung;
- Fig. 3
- einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene III-III gemäss Fig. 2;
- Fig. 4
- einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene IV-IV gemäss Fig. 2;
- Fig. 5
- einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene V-V gemäss Fig. 2;
- Fig. 6
- einen Längsschnitt der turbulenzunterstützten Hochdruckzerstäubungsdüse in der Ebene der Düsenbohrungen;
- Fig. 7
- einen Längsschnitt der Hochdruck-Blendendüse in der Ebene der Düsenbohrungen;
- Fig. 8
- ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Tropfengrösse vom Druck einer Hochdruckzerstäubungsdüse gemäss Fig. 6 bzw. 7;
- Fig. 9
- ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Nox-Emissionen von der Flammentemperatur des Doppelkegelbrenners für verschiedene Düsen.
- Fig. 1
- a schematic view of a double-cone burner;
- Fig. 2
- a burner according to Figure 1 in a perspective view.
- Fig. 3
- a simplified section in the plane III-III of FIG. 2;
- Fig. 4
- a simplified section in the plane IV-IV of FIG. 2;
- Fig. 5
- a simplified section in the plane VV of FIG. 2;
- Fig. 6
- a longitudinal section of the turbulence-assisted high-pressure atomization nozzle in the plane of the nozzle bores;
- Fig. 7
- a longitudinal section of the high-pressure orifice nozzle in the plane of the nozzle bores;
- Fig. 8
- a diagram to illustrate the dependence of the droplet size on the pressure of a high pressure atomizing nozzle according to Fig. 6 and 7;
- Fig. 9
- a diagram illustrating the dependence of the NOx emissions on the flame temperature of the double-cone burner for different nozzles.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.Only the elements essential for understanding the invention are shown. The direction of flow of the media is indicated by arrows.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 9 näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and FIGS. 1 to 9.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Vormischbrenner, der im wesentlichen aus zwei Teilkegelkörpern 1, 2 besteht und dessen prinzipieller Aufbau in EP 0 321 809 B1 beschrieben ist. Zum besseren Verständnis des Brenneraufbaus ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig Fig. 2 und die darin ersichtlichen Schnitte nach den Fig. 3 bis 5 herangezogen werden.1 schematically shows a section through the premix burner, which essentially consists of two
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung den Doppelkegelbrenner mit integrierter Vormischzone. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 sind bezüglich ihrer Längssymmetrieachsen 1b, 2b radial versetzt zueinander angeordnet. Dadurch entstehen auf beiden Seiten der Teilkegelkörper 1, 2 in entgegengesetzter Einströmungsanordnung jeweils tangentiale Lufteintrittsschlitze 19, 20, durch welche die Verbrennungsluft 15 in den Innenraum 14 des Brenners, d.h. in den von den beiden Teilkegelkörpern 1, 2 gebildeten Kegelhohlraum strömt. Die Teilkegelkörper 1, 2 erweitern sich geradlinig in Strömungsrichtung, d.h. sie weisen einen konstanten Winkel α mit der Brennerachse 5 auf. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a, welche ebenfalls versetzt verlaufen. In diesem zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a befindet sich eine Hochdruckzerstäubungsdüse 3 mit mindestens zwei Düsenöffnungen 11, welche etwa im engsten Querschnitt des kegelförmigen Innenraums 14 des Brenners angeordnet sind. Selbstverständlich kann der Brenner auch ohne zylindrischen Anfangsteil, also rein kegelig ausgeführt sein.Fig. 2 shows a perspective view of the double-cone burner with integrated premixing zone. The two
Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen längs der Lufteintrittsschlitze 19, 20 je eine Brennstoffzuleitung 8, 9 auf, welche längsseitig mit Öffnungen 17 versehen sind, durch welche ein weiterer Brennstoff 13 (gasförmig oder flüssig) strömt. Dieser Brennstoff 13 wird der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 in den Brennerinnenraum strömenden Verbrennungsluft 15 zugemischt, was durch die Pfeile 16 dargestellt wird. Ein Mischbetrieb des Brenners über die Düse 3 und die Brennstoffzuführungen 8, 9 ist möglich.The two
Brennraumseitig ist eine Frontplatte 10 angeordnet mit Öffnungen 11, durch welche bei Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft dem Brennraum 22 zugeführt werden. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung dafür, dass eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners stattfindet. Dort stellt sich eine stabile Flammenfront 7 mit einer Rückströmzone 6 ein.On the combustion chamber side, a
Aus den Fig. 3 bis 5 ist die Anordnung von Leitblechen 21 a, 21 b zu entnehmen. Diese können beispielsweise um einen Drehpunkt 23 geöffnet oder geschlossen werden, so dass dadurch die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 verändert wird. Selbstverständlich kann der Brenner auch ohne diese Leitbleche 21a, 21b betrieben werden.The arrangement of
In Fig. 6 ist eine turbulenzunterstütze Hochdruckzerstäubungsdüse 3 abgebildet, welche wie in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt ist, in der Kegelspitze des Brenners angeordnet ist. Sie besteht aus einem Rohr 26, das einen Zufuhrkanal 24 und eine Turbulenzkammer 25 umgibt. Das Rohr 26 wird von einem kegeligen Deckel 27 abgeschlossen, in welchem im äusseren Drittel nahe der Rohrwand zwei Düsenbohrungen 18 vorhanden sind. Diese Düsenbohrungen 18 stellen die Verbindung her zwischen der sich im Rohr 26 befindenden Turbulenzkammer 25 und dem Innenraum 14 (Kegelhohlraum) des Brenners. Die Turbulenzkammer 25 wird neben dem Rohr 26 begrenzt durch ein Füllstück 28 und den Deckel 27 des Rohres 26. Im Füllstück 28 ist mittig eine Zuführöffnung 29 für den zu zerstäubenden Brennstoff 12 angeordnet. Diese Öffnung kann selbst selbstverständlich auch aussermittig angeordnet sein bzw. können mehrere Zufuhröffnungen 29 vorhanden sein. Günstig ist, wenn die Zufuhröffnung 29 einen sich in Strömungsrichtung verengenden Querschnitt aufweist, wie in Fig. 6 dargestellt ist.FIG. 6 shows a turbulence-assisted high-
Der zu zerstäubende Brennstoff 12 strömt unter einem Druck von grösser 100 bar über die Zufuhrleitung 24 und die Öffnung 29 in die Turbulenzkammer 25, welche einen sich stossartig erweiternden Querschnitt gegenüber der Zufuhröffnung 29 aufweist. Der Brennstoffstrahl trifft auf die Kegelspitze des kegeligen Deckels 27. Durch intensive Scherungen und das Zurückprallen der Strahlen von der Oberfläche des Deckels wird ein hohes Turbulenzniveau erzeugt, welches auf dem kurzen Weg bis zum Austritt aus der Düse nicht abklingt. Der Flüssigkeitsstrahl wird durch die vor den beiden Düsenbohrungen 18 erzeugte Turbulenz im Brennerinnenraum 14 zum raschen Zerfall gebracht, wobei sich sehr kleine Ausbreitungswinkel ergeben.The
Der Brennstoff 12 wird durch den hohen Impuls und die dadurch hohe Relativgeschwindigkeit zur Luft gut zerstäubt. Er hat eine hohe Eindringtiefe und führt somit zu einer hohen Einmischqualität.The
Die Ausrichtung der Düsenbohrungen 18 auf die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20, also auf Zonen sehr hoher Luftgeschwindigkeit, führt zu einer direkten Einmischung des in Form eines fein verteilten Tropfensprays 4 vorliegenden Brennstoffes 12. Entlang der Brennerwand verteilt sich der Brennstoff sehr gut im Verbrennungsluftstrom 15. Er mischt sich sehr gut entlang des Kegels in den frischen Luftstrom am Ende des Brenners ein, so dass ein hervorragende Vormischung erzielt wird, was sich günstig auf einen niedrigen Wert der Schadstoffemissionen auswirkt.The alignment of the nozzle bores 18 to the tangential
Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Hier ist die Hochdruckzerstäubungsdüse 3 eine Mehrloch-Hochdruck-Blendendüse, die in ihrem Aufbau der o.g. turbulenzunterstützten Düse entspricht, wobei natürlich bei der Blendendüse keine Turbulenzkammer vorhanden ist. Das bedeutet, dass in diesem Falle die erzielbare Brennstofftropfengrösse unter vergleichbaren Bedingungen zum ersten Ausführungsbeispiel zwar etwas grösser ist (s. Fig. 8), dafür kann aber ein hoher Brennstoffimpuls erreicht werden, der durch das gezielte Einspritzen in Zonen hoher Luftgeschwindigkeit ebenfalls zu den o.g. Vorteilen führt.Fig. 7 shows a second embodiment. Here, the high-
Der Querschnitt der Düse 3, ihre Position und die Eindüsungsrichtung ergibt sich aus dem gewünschten Durchsatz (in Abhängigkeit von Vordruck) unter Berücksichtigung genügend hoher Reynoldszahlen in den Düsenbohrungen 18.The cross section of the
Das in Fig. 8 dargestellte Diagramm veranschaulicht für eine turbulenzunterstützte Druckzerstäubungsdüse die Abhängigkeit des Tropfendurchmessers dT vom Vordruck p für verschiedene Grenzdurchmesser der Tropfenmassenverteilung. Dx bezeichnet den Grenzdurchmesser, den x Massen% aller Teilchen unterschreiten. SMD ist der Sauterdurchmesser, also der Durchmesser eines Tröpfchens, das dasselbe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen besitzt wie der Gesamtstrahl. Die dem Diagramm zugrunde liegende Hochdruckzerstäubungsdüse wurde dabei mit Wasser beaufschlagt und hatte folgende Kenngrössen:
Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der atmosphärischen NOx-Emissionswerte von der Flammentemperatur und dem eingesetzten Düsentyp zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes. Es wurden turbulenzunterstützte Zweiloch-Hochdruckdüsen mit unterschiedlichen Winkeln β zwischen Brennstoffeindüsung und Brennerachse untersucht (11 °, 15 °, 20 °). Der Kegelhalbwinkel α des Brenners betrug jeweils 10,95 °. Im Vergleich zu Druckzerstäubungsdüsen (Dralldüsen) werden beim Einsatz der erfindungsgemässen Hochdruckzerstäubungsdüsen 3 mit zwei auf die Lufteintrittsschlitze 19, 20 gerichteten Düsenbohrungen 18 in Vormischbrennern der Doppelkegelbauart wesentlich geringere NOx-Emissionswerte erreicht.FIG. 9 shows the dependence of the atmospheric NOx emission values on the flame temperature and the type of nozzle used for atomizing the liquid fuel. Turbulence-assisted two-hole high-pressure nozzles with different angles β between the fuel injection and the burner axis were examined (11 °, 15 °, 20 °). The cone half angle α of the burner was 10.95 ° in each case. In comparison to pressure atomizing nozzles (swirl nozzles), when using the high
- 1, 21, 2
- TeilkegelkörperPartial cone body
- 1a, 2a1a, 2a
- zylindrischer Ansfangsteilcylindrical starting part
- 1b, 2b1b, 2b
- Mittelachse der TeilkegelkörperCentral axis of the partial cone body
- 33rd
- HochdruckzerstäubungsdüseHigh pressure atomization nozzle
- 44th
- BrennstofftropfensprayFuel drop spray
- 55
- BrennerachseBurner axis
- 66
- Rückströmzone (vortex breakdown)Backflow zone (vortex breakdown)
- 77
- FlammenfrontFlame front
- 8, 98, 9
- BrennstoffzuleitungFuel supply
- 1010th
- FrontplatteFront panel
- 1111
- Öffnungen in der FrontplatteOpenings in the front panel
- 1212th
- flüssiger Brennstoffliquid fuel
- 1313
- weiterer Brennstoff (flüssig oder gasförmig)additional fuel (liquid or gaseous)
- 1414
- Innenraum des BrennersInterior of the burner
- 1515
- VerbrennungsluftstromCombustion air flow
- 1616
- Eindüsung BrennstoffInjection fuel
- 1717th
- Öffnungenopenings
- 1818th
- DüsenbohrungNozzle bore
- 19, 2019, 20
- tangentialer Lufteintrittsschlitztangential air inlet slot
- 21a,21b21a, 21b
- LeitblechBaffle
- 2222
- Brennraum abströmseitig des BrennersCombustion chamber downstream of the burner
- 2323
- Drehpunktpivot point
- 2424th
- ZuführkanalFeed channel
- 2525th
- TurbulenzkammerTurbulence chamber
- 2626
- Rohrpipe
- 2727
- Deckel des RohresCover of the pipe
- 2828
- FüllstückFilling piece
- 2929
- Zufuhröffnung im FüllstückFeed opening in the filler
- αα
- KegelhalbwinkelCone half angle
- ββ
- Winkel zwischen Tropfenspray und Längsachse des BrennersAngle between the drop spray and the longitudinal axis of the burner
- dT d T
- TropfendurchmesserDrop diameter
- pp
- Druckprint
- DxDx
- Grenzdurchmesser, den x Massen% aller Teilchen unterschreitenLimit diameter that x mass% of all particles fall below
- SMDSMD
- SauterdurchmesserSauter diameter
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