EP0769655A2 - Airblast-Zerstäuberdüse - Google Patents

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EP0769655A2
EP0769655A2 EP96810646A EP96810646A EP0769655A2 EP 0769655 A2 EP0769655 A2 EP 0769655A2 EP 96810646 A EP96810646 A EP 96810646A EP 96810646 A EP96810646 A EP 96810646A EP 0769655 A2 EP0769655 A2 EP 0769655A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
atomizer
airblast
burner
liquid fuel
Prior art date
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Granted
Application number
EP96810646A
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English (en)
French (fr)
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EP0769655A3 (de
EP0769655B1 (de
Inventor
Franz Joos
Marcel Stalder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Alstom SA
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Alstom SA, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
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Publication of EP0769655A3 publication Critical patent/EP0769655A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/005—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space with combinations of different spraying or vaporising means
    • F23D11/007—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space with combinations of different spraying or vaporising means combination of means covered by sub-groups F23D11/10 and F23D11/24
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/106—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet
    • F23D11/107—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet at least one of both being subjected to a swirling motion
    • 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 
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2211/00—Thermal dilatation prevention or compensation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11101—Pulverising gas flow impinging on fuel from pre-filming surface, e.g. lip atomizers

Definitions

  • the invention relates to the field of combustion technology. It relates to an atomizer nozzle for atomizing liquid fuel in a burner, which works on the air-blast principle, is suitable both for operating the burner with liquid and gaseous fuels and can be used in particular in low-pollutant premix burners of the double-cone type.
  • the fuel For low pollutant premix combustion, the fuel must be mixed with the combustion air as homogeneously as possible before combustion. If liquid fuel is used, it must be atomized beforehand. The liquid fuel jet is split into individual droplets so that the fuel has the largest possible evaporation surface.
  • So-called airblast atomizers are also used to atomize liquid fuels in combustion chambers (see AH Lefebvre, Airblast Atomization, Prog. Energy Combust. Sci. Vol. 6, pp. 233-261, 1980), which are particularly useful for operation of gas turbines are suitable.
  • This are designed so that the relatively slow moving liquid fuel is atomized by a high speed air stream.
  • the fuel does not have its own impulse.
  • the liquid to be atomized is applied, for example, as a thin film with an approximately constant thickness to an atomizer edge. An air flow flows around this atomizer edge on both sides, ie an outer and an inner air flow, the atomization of the liquid fuel then taking place at the atomizer lip in the shear field of the two air flows (prefilming atomization).
  • the liquid fuel is applied either via central pressure atomizers or via so-called film layers, which are integrated in the lead of the atomizer edge in this component and therefore require a relatively thick component.
  • the internal air flow is either swirled and / or directed outwards via a central body.
  • a disadvantage of this known prior art is the relatively large component diameter or the high pressure drop in the nozzle due to the narrow cross section.
  • the twist of the internal air flow makes the nozzle diameter relatively large.
  • the airblast atomizer is designed with a displacement body.
  • the disadvantage of this displacement body is that it causes an increased susceptibility to coke and gum formation in the wake. Due to the proximity to the flame, the cooling of this part is usually a difficult problem to solve.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of developing an airblast nozzle for atomizing liquid fuel, which can also be used for gas operation and is characterized by small dimensions and is therefore, for example, well suited for use in a premixing burner of the double-cone type, the nozzle being characterized by reduced susceptibility to coking and gum formation. Furthermore, there should only be a slight loss of pressure in the nozzle. Finally, it is the object of the invention to propose a mechanism with which it is possible to throttle off the atomizing air during gas operation and to meter the required atomizing air during operation with liquid fuel.
  • an airblast nozzle according to the preamble of claim 1 in that the intermediate wall between the inner and outer air duct is held via inner and outer support elements, the inner support elements between the intermediate wall and the fuel pipe and the outer support elements between the intermediate wall and the nozzle outer body are arranged, and that the atomizer edges are angled in the direction of the nozzle axis.
  • the advantages of the invention consist in the compact design of the airblast nozzle and its minimal diameter, so that they can be used particularly well in a premix burner of the double-cone type. Another advantage results from the fact that there is no longer any need to arrange components at the nozzle outlet that tend to build up or overheat. In addition, there is only a slight pressure loss in the nozzle and the design pressure drop is at the atomizer lip.
  • the fuel is advantageously applied via commercially available pressure atomizers, in particular hollow-cone atomizers.
  • Simple bores which are provided radially or obliquely at the closed end of the fuel line, are also suitable for applying the fuel. It is advantageous here if the fuel film is evened out by means of weirs additionally arranged in the atomizer edge.
  • the inner and / or outer support elements are designed as swirl blades. By swirling the air, better atomization is achieved.
  • the swirl of the inner air flow serves to improve the flow around the atomizing lip, while the outer swirl influences the spray angle a.
  • the fuel application can also be swirled (radially or obliquely against the nozzle axis).
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the arrangement of a premix burner of the double-cone type equipped with an airblast nozzle.
  • An airblast nozzle 2 is arranged in the upstream end of the burner 1. It is supplied with liquid fuel 4 and compressed air 5, which is used to atomize the fuel 4, via a fuel lance 3 connected to the double-cone burner 1.
  • the fuel lance 3 supplies the gaseous fuel 6 for the double-cone burner 1 while it receives its main burner air 7 from the space inside the burner hood 8.
  • the air 5 for the airblast nozzle 2 can also be supplied from a plenum (not shown) located outside the burner hood 8.
  • additional gaseous fuel pilot gas 9 is injected into the burner 1 in order to enrich the fuel gases near the axis of the double-cone burner 1 via the fuel lance 3.
  • the burner 1 opens into the combustion chamber 10 downstream.
  • FIG. 2 shows the airblast nozzle 2 in an enlarged partial longitudinal section. It has a fuel pipe 12 for the liquid fuel 4 arranged around the nozzle axis 11 and in each case an inner 13 and an outer air duct 14 arranged concentrically therewith.
  • the two air channels 13, 14 are upstream with an air supply line 15 in which the Atomizing air 5 is led to the nozzle, connected and opening at the atomizing cross section 16 into the burner interior 17.
  • the channels 13, 14 are through an intermediate wall 18, which according to the invention is angled at its downstream end in the direction of the nozzle axis 11 and there the atomizing edge 19 with the atomizing lip 20 forms, separated from each other, so that the atomizing air 5 is divided into an outer 5a and an inner airflow 5b.
  • the intermediate wall 18, including the atomizer edge 19, is held between the fuel tube 12 and the outer nozzle body 23 with the aid of inner and outer support elements 21, which are preferably arranged at uniform intervals over the circumference.
  • the inner support elements 21 are arranged between the fuel pipe 12 and the intermediate wall 18, while the outer support elements 21 are arranged between the intermediate wall 18 and the nozzle outer body 23.
  • a pilot gas channel 22 is provided in the burner 1, which provides pilot gas 9, which serves to enrich the gaseous fuel 6 in the interior of the burner, thereby expanding the stability range of the burner.
  • the pilot gas channel 22 is delimited by the outer nozzle body 23 and by the wall of the burner 1.
  • the connection of the nozzle 2 to the burner 1 and the feed of the pilot gas channel 22 are not shown in FIG. 2.
  • the latter can be implemented, for example, by a feed bore for the pilot gas which is arranged in the burner wall and is not shown here.
  • the nozzle 2 can be connected, for example, via a cover, not shown, which is welded over the entire circumference at the upstream end of the pilot gas channel 22 to the outer nozzle body 23 and on the wall of the burner 1 and closes off the pilot gas channel 22.
  • a pilot gas channel can also be dispensed with in other exemplary embodiments.
  • the liquid fuel 4, preferably oil, is made thinner by means of an exchangeable, commercially available pressure atomizer 24 Film applied to the atomizer edge 19.
  • Hollow-cone atomizers are optimal, but full-cone atomizers with a well atomized fuel core can also be used.
  • the atomizer edges 19 are narrowed inward in order to obtain a maximum air velocity in the atomization cross section 16 or at the atomizer lip 20.
  • the outer air flow 5a brought up in the outer air duct 14 is likewise brought to the atomizer lip 20 via a narrowing at the atomizer edge 19, where the fuel film is atomized finely by the shear forces of the two air streams 5a, 5b.
  • the high air speed has a positive effect on improved atomization quality.
  • the spray angle ⁇ can be influenced by the division of the two air mass flows 5a, 5b and by the geometry of the outlet cross section.
  • the inner support elements 21 are not firmly connected to the intermediate wall 18 in the upper part of the figure, so that a sliding point 28 is present at this point.
  • This enables the liquid fuel tube 12 including the oil pressure atomizer 24 to be displaced, so that the thermal expansion of the fuel lance 3 can be absorbed and the position of the atomizer edge 19 relative to the double-cone burner 1 does not change, which is a great advantage.
  • this version also saves a problematic seal between the pilot gas channel 22 and the atomizer in the burner 1, since the outer atomizer part would become part of the burner 1.
  • Another advantage is that the sensitive atomizer part remains in the double-cone burner 1 during assembly of the fuel lance 3 and is therefore not damaged.
  • FIG 3 shows an embodiment variant in which the liquid fuel 4 is applied to the atomizer edge 19 via simple bores 25. These are arranged radially or obliquely at the closed end of the liquid fuel line 12. For the purpose of uniformizing the fuel film and thereby improving the atomization quality, weirs 26 can be arranged in the atomization edge.
  • FIG. 4 Another embodiment variant is shown in FIG. 4.
  • the support elements 21 are designed as swirl blades 27. It is possible to arrange only the inner support elements 21 as swirl blades, so that only the inner air flow 5b is swirled in order to achieve a better flow around the atomizer lip 20. If only the outer air flow 5a is swirled, the spray angle ⁇ can be influenced. Of course, as can be seen from FIG. 4, both air streams 5a, 5b can also be swirled by designing both the inner and the outer support elements 21 as swirl generators.
  • FIG. 7 which uses the different thermal expansion of the fuel line 12 in oil and gas operation.
  • the upper part of Fig. 7 relates to gas operation, the lower part, however, to oil operation. 7, the airblast nozzle 2 is at the downstream end of the oil line 12 not shown.
  • the atomizing air 5 is throttled, since the oil line 12 is heated by the air coming from the compressor and accordingly the entry area of the atomizing air 5 into the burner part is reduced or completely closed by the thermal expansion of the oil line.
  • the required atomizing air 5 is metered during oil operation or when water is added due to the lower thermal expansion of the colder oil line 12 under these operating conditions (see open entry area of air 5 in the lower part of FIG. 7).
  • the prerequisite for this is that the liquid fuel line 12 is fixedly attached to the housing and the burner 1 is arranged firmly on the combustion chamber 10, which is not shown in FIG. 7.
  • throttling mechanisms such as throttling the air 5 by displacement by means of pilot gas 9, can also be used to throttle the atomizing air 5 of the airblast nozzle according to the invention in gas operation.

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Abstract

Bei einer airblast-Zerstäuberdüse (2) für den Betrieb eines mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen (4, 6) betriebenen Brenners (1) wird die Zwischenwand (18) zwischen innerem (14) und äusserem Luftkanal (13) über innere und äussere Stützelemente (21) gehalten, welche einen Schiebesitz (28) aufweisen und als Drallschaufeln ausgebidet sein können. Die Zerstäuberkanten (19) der airblast-Düse (2) sind in Richtung Düsenachse (11) abgewinkelt. Die Düse zeichnet sich durch geringe Abmasse, niedrigen Druckverlust und geringe Verkokungsneigung aus.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Zerstäuberdüse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in einem Brenner, welche nach dem air-blast-Prinzip arbeitet, sowohl für den Betrieb des Brenners mit flüssigen als auch gasförmigen Brennstoffen geeignet ist und insbesondere in schadstoffarmen Vormischbrennern der Doppelkegelbauart eingesetzt werden kann.
    • Stand der Technik
  • Zur schadstoffarmen Vormischverbrennung muss der Brennstoff vor der Verbrennung möglichst homogen mit der Verbrennungsluft gemischt werden. Wird flüssiger Brennstoff verwendet, so muss dieser vorher zerstäubt werden. Dabei wird der flüssige Brennstoffstrahl in einzelne Tröpfchen aufgespalten, so dass der Brennstoff eine möglichst grosse Verdampfungsoberfläche erhält.
  • Zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen in Brennkammern kommen unter anderem auch sogenannte airblast-Zerstäuber zur Anwendung (siehe A. H. Lefebvre, Airblast Atomization, Prog. Energy Combust. Sci. Vol. 6, S. 233-261, 1980), welche insbesondere für den Betrieb von Gasturbinen geeignet sind. Diese sind so konstruiert, dass der sich relativ langsam bewegende flüssige Brennstoff durch einen Luftstrom grosser Geschwindigkeit zerstäubt wird. Der Brennstoff hat dabei keinen Eigenimpuls. Die zu zerstäubende Flüssigkeit wird beispielsweise als dünner Film mit etwa konstanter Dicke auf eine Zerstäuberkante aufgebracht. Diese Zerstäuberkante wird von einem Luftstrom beidseitig, d. h. von einem äusseren und von einem inneren Luftstrom, umströmt, wobei die Zerstäubung des Flüssigbrennstoffes dann an der Zerstäuberlippe im Scherfeld der beiden Luftströme erfolgt (prefilming atomization).
  • Bekanntermassen wird dabei der flüssige Brennstoff entweder über zentrale Druckzerstäuber oder über sogenannte Filmleger, die im Vorlauf der Zerstäuberkante in diesem Bauteil integriert sind und daher ein relativ dickes Bauteil erfordern, aufgebracht.
  • Um die Luft gezielt an die Zerstäuberkante zu lenken, wird der innere Luftstrom entweder verdrallt und/oder über einen Zentralkörper nach aussen gelenkt.
  • Nachteilig an diesem bekannten Stand der Technik ist der relativ grosse Bauteildurchmesser bzw. der hohe Druckabfall in der Düse aufgrund des engen Querschnittes.
  • Im allgemeinen wird durch die Verdrallung des inneren Luftstromes der Düsendurchmesser relativ gross. Zur Abhilfe wird deshalb der airblast-Zerstäuber mit einem Verdrängungskörper ausgeführt. Der Nachteil dieses Verdrängungskörpers besteht in der Verursachung einer verstärkten Anfälligkeit zur Koks- und Gum-Bildung im Nachlauf. Durch die Nähe zur Flamme ist zusätzlich die Kühlung dieses Teiles in der Regel ein schwer zu lösendes Problem.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine airblast-Düse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff zu entwickeln, die auch für den Gasbetrieb einsetzbar ist und sich durch kleine Abmasse auszeichnet und deshalb beispielsweise gut geeignet ist für den Einsatz in einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart, wobei sich die Düse durch eine verringerte Anfälligkeit zur Verkokung und zur Gum-Bildung auszeichnet. Weiterhin soll in der Düse nur ein geringer Druckverlust entstehen. Schliesslich ist es Aufgabe der Erfindung, einen Mechanismus vorzuschlagen, mit dem es gelingt, beim Gasbetrieb die Zerstäuberluft abzudrosseln und beim Betrieb mit flüssigem Brennstoff die benötigte Zerstäuberluft zuzumessen.
  • Erfindungsgemäss wird dies bei einer airblast-Düse gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass die Zwischenwand zwischen innerem und äusserem Luftkanal über innere und äussere Stützelemente gehalten wird, wobei die inneren Stützelemente zwischen der Zwischenwand und dem Brennstoffrohr und die äusseren Stützelemente zwischen der Zwischenwand und dem Düsenaussenkörper angeordnet sind, und dass die Zerstäuberkanten in Richtung Düsenachse abgewinkelt sind.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen in der kompakten Bauweise der airblast-Düse und ihrem minimalen Durchmesser, so dass sie besonders in einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart gut einsetzbar sind. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass keine Bauteile am Düsenaustritt mehr angeordnet werden müssen, die zu Ablagerungen bzw. Überhitzung neigen. Ausserdem entsteht nur ein geringer Druckverlust in der Düse und der Auslegungsdruckabfall ist an der Zerstäuberlippe.
  • Es ist besonders zweckmässig, wenn das Flüssigbrennstoffrohr axial verschiebbar ist, während der Düsenaussenkörper Bestandteil des Brenners und somit fest fixiert ist, wobei die Schiebestelle zwischen den inneren Stützen am Flüssigbrennstoffrohr und der Zwischenwand zwischen dem inneren und dem äusseren Luftkanal vorgesehen ist. Über das Verschieben des Ölfilmsprühers wird somit die Wärmedehnung des Lanzenrohres aufgefangen. Die Position der Zerstäuberkante relativ zum Brenner bleibt daher unverändert. Ein weiterer Vorteil ist die Einsparung der problematischen Abdichtung zwischen der Pilotgasleitung und dem Zerstäuber, weil hier der äussere Zerstäuberteil Bestandteil des Brenners ist. Schliesslich besteht ein weiterer Vorteil darin, dass der empfindliche Zerstäuberteil bei der Montage der Brennstofflanze im Brenner verbleiben kann und damit nicht beschädigt wird.
  • Als Ausführungsform ist es auch möglich, den Zerstäuber im ganzen zu lassen und ausserhalb zu schieben.
  • Schliesslich wird mit Vorteil der Brennstoff über handelsübliche Druckzerstäuber, insbesondere Hohlkegelzerstäuber, aufgebracht. Zum Aufbringen des Brennstoffes sind auch einfache Bohrungen, die radial oder schräg am geschlossenen Ende der Brennstoffleitung angebracht sind, geeignet. Hier ist es von Vorteil, wenn über zusätzlich in der Zerstäuberkante angeordnete Wehre der Brennstoffilm vergleichmässigt wird.
  • Es ist ferner vorteilhaft, wenn die inneren und/oder äusseren Stützelemente als Drallschaufeln ausgebildet sind. Durch die Verdrallung der Luft wird eine bessere Zerstäubung erreicht. Die Verdrallung des inneren Luftstromes dient dabei einer besseren Umströmung der Zerstäubungslippe, während die äussere Verdrallung den Sprühwinkel a beeinflusst. Auch die Brennstoffauftragung kann verdrallt (radial oder schräg gegen die Düsenachse) erfolgen.
  • Schliesslich ist es bei einem Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemässen airblast-Düse, wobei beim Betrieb mit gasförmigem Brennstoff der Zustrom der Luft in den Brennerinnenraum zumindestens teilweise abgedrosselt wird, von Vorteil, dass die Drosselung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung des Flüssigbrennstoffrohres bei Gas- oder Ölbetrieb erfolgt. Dieser Drosselmechanismus ist recht einfach zu realisieren.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung der Anordnung eines mit einer airblast-Düse ausgestatteten Doppelkegelbrenners;
    Fig. 2
    einen Teillängsschnitt der airblast-Düse bei Verwendung eines konventionellen Öldruckzerstäubers;
    Fig. 3
    einen Teillängsschnitt der airblast-Düse, wobei eine Flüssigbrennstoffleitung mit zur Düsenachse am geschlossenen Ende schräg angeordneten Bohrungen verwendet wird;
    Fig. 4
    einen Teillängsschnitt der airblast-Düse mit als Drallschaufeln ausgebildeten Stützelementen und einem Wehr;
    Fig. 5
    einen Teillängsschnitt der airblast-Düse mit verdrallter Flüssigbrennstoffaufbringung;
    Fig. 6
    einen Teilquerschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 4;
    Fig. 7
    einen Teillängsschnitt des Brennerteiles und der Brennstoffzuführung, wobei im oberen Teilbild der Gasbetrieb und im unteren Teilbild der Ölbetrieb veranschaulicht ist.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 7 näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung eines mit einer airblast-Düse ausgestatteten Vormischbrenners der Doppelkegelbauart.
  • Im stromaufwärtigen Ende des Brenners 1 ist eine airblast-Düse 2 angeordnet. Sie wird über eine mit dem Doppelkegelbrenner 1 verbundene Brennstofflanze 3 mit flüssigem Brennstoff 4 und verdichteter Luft 5, welche zum Zerstäuben des Brennstoffes 4 benutzt wird, versorgt. Ausserdem liefert die Brennstofflanze 3 den gasförmigen Brennstoff 6 für den Doppelkegelbrenner 1, während er seine Hauptbrennerluft 7 aus dem Raum innerhalb der Brennerhaube 8 erhält. Die Luft 5 für die airblast-Düse 2 kann auch aus einem sich ausserhalb der Brennerhaube 8 befindenden Plenum (nicht dargestellt) zugeführt werden. Ausserdem wird in diesem Ausführungsbeispiel zum Anfetten der Brenngase in Achsnähe des Doppelkegelbrenners 1 über die Brennstofflanze 3 zusätzlicher gasförmiger Brennstoff (Pilotgas 9) in den Brenner 1 eingedüst. Stromabwärts mündet der Brenner 1 in die Brennkammer 10.
  • Fig. 2 zeigt in einem vergrösserten Teillängsschnitt die airblast-Düse 2. Sie weist ein um die Düsenachse 11 angeordnetes Brennstoffrohr 12 für den Flüssigbrennstoff 4 auf und jeweils einen dazu konzentrisch angeordneten inneren 13 und einen äusseren Luftkanal 14 auf. Die beiden Luftkanäle 13, 14 sind stromaufwärts mit einer Luftzuführungsleitung 15, in der die Zerstäuberluft 5 zur Düse geführt wird, verbunden und münden am Zerstäubungsquerschnitt 16 in den Brennerinnenraum 17. Die Kanäle 13, 14 sind durch eine Zwischenwand 18, die erfindungsgemäss an ihrem stromabwärtigen Ende in Richtung Düsenachse 11 abgewinkelt ist und dort die Zerstäuberkante 19 mit der Zerstäuberlippe 20 bildet, voneinander getrennt, so dass die Zerstäuberluft 5 in einen äusseren 5a und einen inneren Luftstrom 5b aufgeteilt wird. Mit Hilfe von vorzugsweise in gleichmässigen Abständen über den Umfang angeordneten inneren und äusseren Stützelementen 21 wird die Zwischenwand 18 einschliesslich der Zerstäuberkante 19 zwischen Brennstoffrohr 12 und Düsenaussenkörper 23 gehalten. Die inneren Stützelemente 21 sind dabei zwischen dem Brennstoffrohr 12 und der Zwischenwand 18 angeordnet, während die äusseren Stützelemente 21 zwischen der Zwischenwand 18 und dem Düsenaussenkörper 23 angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im Brenner 1 ein Pilotgaskanal 22 vorgesehen, welcher Pilotgas 9 zur Verfügung stellt, das dem Anfetten des gasförmigen Brennstoffes 6 im Brennerinnenraum dient, wodurch der Stabilitätsbereich des Brenners erweitert wird. Der Pilotgaskanal 22 wird gemäss Fig. 2 vom Düsenaussenkörper 23 und von der Wand des Brenners 1 begrenzt. Nicht dargestellt ist in Fig. 2 die Verbindung der Düse 2 mit dem Brenner 1 und die Anspeisung des Pilotgaskanales 22. Letzteres kann beispielsweise durch eine in der Brennerwand angeordnete, hier nicht dargestellte Anspeisungsbohrung für das Pilotgas realisiert werden. Die Düse 2 kann z.B. über einen nicht dargestellten Deckel, der am stromaufwärtigen Ende des Pilotgaskanales 22 am Düsenaussenkörper 23 und an der Wand des Brenners 1 über den ganzen Umfang angeschweisst ist und den Pilotgaskanal 22 abschliesst, verbunden sein. Selbstverständlich kann in anderen Ausführungsbeispielen auch auf die Anordnung eines Pilotgaskanales verzichtet werden.
  • Der flüssige Brennstoff 4, vorzugsweise Öl, wird über einen auswechselbaren, handelsüblichen Druckzerstäuber 24 als dünner Film auf die Zerstäuberkante 19 aufgebracht. Optimal sind Hohlkegelzerstäuber, aber es können auch Vollkegelzerstäuber mit gut zerstäubtem Brennstoffkern verwendet werden. Die Zerstäuberkanten 19 sind erfindungsgemäss nach innen verengt, um im Zerstäubungsquerschnitt 16 bzw. an der Zerstäuberlippe 20 einen maximale Luftgeschwindigkeit zu erhalten. Der im äusseren Luftkanal 14 herangeführte äussere Luftstrom 5a wird ebenfalls über eine Verengung an der Zerstäuberkante 19 an die Zerstäuberlippe 20 herangeführt, wo der Brennstoffilm durch die Scherkräfte der beiden Luftströme 5a, 5b fein zerstäubt wird. Die hohe Luftgeschwindigkeit wirkt sich positiv auf eine verbesserte Zerstäubungsqualität aus.
  • Der Sprühwinkel α kann dabei durch die Aufteilung der beiden Luftmassenströme 5a, 5b und durch die Geometrie des Austrittsquerschnittes beeinflusst werden.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im oberen Teil der Figur die inneren Stützelemente 21 nicht fest mit der Zwischenwand 18 verbunden, so dass an dieser Stelle eine Schiebestelle 28 vorhanden ist. Das ermöglicht eine Verschiebung des Flüsssigbrennstoffrohres 12 einschliesslich des Öldruckzerstäubers 24, so dass auf diese Weise die Wärmedehnung der Brennstofflanze 3 aufgefangen werden kann und sich die Position der Zerstäuberkante 19 relativ zum Doppelkegelbrenner 1 nicht verändert, was ein grosser Vorteil ist. Diese Anordnung erfordert lediglich eine etwas längere Zerstäuberhülse (= Zwischenwand 18). Ausserdem erspart diese Version zusätzlich eine problematische Abdichtung zwischen dem Pilotgaskanal 22 und dem Zerstäuber im Brenner 1, da der äussere Zerstäuberteil Bestandteil der Brenners 1 würde. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der empfindliche Zerstäuberteil bei der Montage der Brennstofflanze 3 im Doppelkegelbrenner 1 verbleibt und damit nicht beschädigt wird.
  • Als eine weitere Ausführungsform, die im unteren Teil von Fig. 2 verdeutlicht wird, ist es auch möglich, den Zerstäuber im ganzen zu lassen, d.h. sowohl die inneren als auch die äusseren Stützelemente 21 sind fest mit der Zwischenwand 18 sowie dem Flüssigbrennstoffrohr 12 bzw. dem Düsenaussenkörper 23 verbunden. Dann ist die Düse 2 als Ganzes nur von aussen verschiebbar (Schiebestelle 29).
  • Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der der Flüssigbrennstoff 4 über einfache Bohrungen 25 auf die Zerstäuberkante 19 aufgebracht wird. Diese sind radial oder schräg am geschlossenen Ende der Flüssigbrennstoffleitung 12 angeordnet. Zwecks Vergleichmässigung des Brennstoffilmes und dadurch Verbesserung der Zerstäubungsqualität können in der Zerstäubungskante 19 Wehre 26 angeordnet sein.
  • Eine weitere Ausführungsvariante ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind im Unterschied zu Fig. 3 die Stützelemente 21 als Drallschaufeln 27 ausgeführt. Es ist möglich, lediglich die inneren Stützelemente 21 als Drallschaufeln anzuordnen, so dass nur der innere Luftstrom 5b verdrallt wird, um eine bessere Umströmung der Zerstäuberlippe 20 zu erzielen. Wird nur der äussere Luftstrom 5a verdrallt, so kann damit der Sprühwinkel α beeinflusst werden. Selbstverständlich können auch, wie aus Fig. 4 ersichtlich, beide Luftströme 5a, 5b verdrallt werden, indem sowohl die inneren als auch die äusseren Stützelemente 21 als Drallerzeuger ausgebildet sind.
  • Da der Gasbetrieb des Doppelkegelbrenners 1 infolge der durch die airblast-Düse 2 strömenden Zerstäuberluft 5 gestört wird, wird zur Lösung dieses Problems gemäss Fig. 7 ein Mechanismus vorgeschlagen, der die unterschiedliche Wärmedehnung der Brennstoffleitung 12 bei Öl- und bei Gasbetrieb ausnutzt. Der obere Teil von Fig. 7 bezieht sich auf den Gasbetrieb, der untere Teil dagegen auf den Ölbetrieb. In der Fig. 7 ist die airblast-Düse 2 am stromabwärtigen Ende der Ölleitung 12 nicht dargestellt. Beim Gasbetrieb wird die Zerstäuberluft 5 abgedrosselt, da die Ölleitung 12 durch die vom Verdichter kommende Luft aufgeheizt wird und dementsprechend durch die Wärmedehnung der Ölleitung der Eintrittsbereich der Zerstäuberluft 5 in den Brennerteil verringert bzw. ganz geschlossen wird. Im Gegensatz dazu wird beim Ölbetrieb bzw. bei Wasserzugabe die benötigte Zerstäuberluft 5 auf Grund der geringeren Wärmedehnung der kälteren Ölleitung 12 bei diesen Betriebsbedingungen zugemessen (siehe offener Eintrittsbereich der Luft 5 im unteren Teilbild von Fig. 7). Voraussetzung dafür ist, dass die Flüssigbrennstoffleitung 12 fest am Gehäuse angebracht ist und der Brenner 1 fest an der in Fig. 7 nicht dargestellten Brennkammer 10 angeordnet ist.
  • Selbstverständlich sind zur Drosselung der Zerstäuberluft 5 der erfindungsgemässen airblast-Düse bei Gasbetrieb auch andere, bereits bekannte Drosselmechanismen, wie beispielsweise die Abdrosselung der Luft 5 durch Verdrängung mittels Pilotgas 9 anwendbar.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich die erfindungsgemässe airblast-Düse durch folgende Eigenschaften auszeichnet:
    • kompakte Bauweise mit minimalem Durchmesser
    • geringer Druckverlust in der Düse
    • Auslegungsdruckabfall an der Zerstäuberlippe
    • keine Bauteile am Düsenaustritt, die zu Ablagerung bzw. Überhitzung neigen
    • enger Sprühwinkel α
    • einfache Kalibrierbarkeit und Auswechselbarkeit der kritischen Ölquerschnitte.
    Bezugszeichenliste
    • 1
    Brenner
    2
    airblast-Düse
    3
    Brennstofflanze
    4
    Flüssigbrennstoff
    5
    Luft für die airblast-Düse
    5a
    äusserer Luftstrom
    5b
    innerer Luftstrom
    6
    gasförmiger Brennstoff
    7
    Hauptbrennerluft
    8
    Brennerhaube
    9
    Pilotgas
    10
    Brennkammer
    11
    Düsenachse
    12
    Brennstoffrohr
    13
    äusserer Luftkanal
    14
    innerer Luftkanal
    15
    Luftzuführungsleitung
    16
    Zerstäubungsquerschnitt
    17
    Brennerinnenraum
    18
    Zwischenwand
    19
    Zerstäuberkante
    20
    Zerstäuberlippe
    21
    Stützelemente
    22
    Pilotgaskanal
    23
    Düsenaussenkörper
    24
    Öldruckzerstäuber
    25
    Bohrungen
    26
    Wehr
    27
    Drallerzeuger
    28,29
    Schiebestelle
    α
    Sprühwinkel

Claims (11)

  1. Airblast-Zerstäuberdüse (2) für den Betrieb eines mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen (4, 6) betriebenen Brenners (1), wobei die Düse (2) im wesentlichen aus einem zentral um die Düsenachse (11) angeordneten Flüssigbrennstoffrohr (12) mit mindestens einem am Ende sich befindenden Mittel zum Aufbringen des flüssigen Brennstoffs (4) auf eine Zerstäuberkante (19) besteht, sowie aus zwei von einer Luftzuführungsleitung (15) gespeisten konzentrischen Luftkanälen (13, 14) und wahlweise aus einem konzentrisch dazu angeordneten Pilotgaskanal (22), wobei die Kanäle (13, 14, 22) jeweils durch Zwischenwände (18) voneinander getrennt sind, sowie aus einem Düsenaussenkörper (23), wobei die Luftkanäle (13, 14) am Zerstäubungsquerschnitt (16) der Düse (2) in den Brennerinnenraum (17) münden, der äussere Luftkanal (13) sich vor dem Zerstäubungsquerschnitt (16) verengt und die Zwischenwand (18) zwischen innerem (14) und äusserem Luftkanal (13) am stromabwärtigen Ende die Zerstäuberkante (19) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (18) zwischen innerem (14) und äusserem Luftkanal (13) über innere und äussere Stützelemente (21), wobei die inneren Stützelemente zwischen der Zwischenwand (18) und dem Brennstoffrohr (12) und die äusseren Stützelemente (21) zwischen der Zwischenwand (18) und dem Düsenaussenkörper (23) angeordnet sind, gehalten wird und dass die Zerstäuberkanten (19) in Richtung Düsenachse (11) abgewinkelt sind.
  2. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigbrennstoffrohr (12) axial verschiebbar ist, während der Düsenaussenkörper (23) Bestandteil des Brenners (1) und somit fest fixiert ist.
  3. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Einzelbestandteile fest fixiert sind und die Düse (2) nur im ganzen axial verschiebbar ist.
  4. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schiebestelle (28) zwischen den inneren Stützelementen (21) am Flüssigbrennstoffrohr (12) und der Zwischenwand (18) zwischen dem inneren (14) und dem äusseren Luftkanal (13) vorgesehen ist.
  5. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Aufbringen des flüssigen Brennstoffes (4) ein Öldruckzerstäuber (24) ist.
  6. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öldruckzerstäuber (24) ein Hohlkegelzerstäuber ist.
  7. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öldruckzerstäuber (24) ein Vollkegelzerstäuber ist.
  8. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufbringen des flüssigen Brennstoffes (4) radial oder schräg angeordnete Bohrungen (25) am geschlossenen Ende des Brennstoffrohres (12) sind.
  9. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Zerstäuberkante (19) Wehre (26) angeordnet sind.
  10. Airblast-Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren und/oder inneren Stützelemente (21) als Drallerzeuger (27), insbesondere als Drallschaufeln, ausgeführt sind.
  11. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (1) mit einer airblast-Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Flüssigbrennstoffleitung (12) fest am Gehäuse und der Brenner (1) fest an der Brennkammer (10) angebracht sind, wobei beim Betrieb mit gasförmigem Brennstoff (9) der Zustrom der Luft (5) in den Brennerinnenraum (17) zumindestens teilweise abgedrosselt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung des Flüssigbrennstoffrohres (12) bei Gas- oder Ölbetrieb erfolgt.
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