EP0794383A2 - Pressurised atomising nozzle - Google Patents
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- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
Definitions
- the invention relates to the field of combustion technology. It relates to a pressure atomizing nozzle, comprising a nozzle body, in which a turbulence or swirl chamber is formed, which is connected to an outside space via a nozzle bore and has at least one supply channel for the liquid to be atomized, through which said liquid can be supplied under pressure, and a method of operating this pressure atomizing nozzle.
- 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 atomizer nozzle under high pressure by an oil pump.
- 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.
- the oil film emerging from the nozzle bore as a rotating hollow cylinder widens into a hollow cone due to the centrifugal force whose edges start to vibrate unstably and tear into small oil droplets.
- the atomized oil forms a cone with a more or less large opening angle.
- 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 propagation, the atomization quality is restricted 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 aim is to generate a drop spray over the entire load range of the gas turbine (approx. 10% to 120% fuel mass flow based on nominal load conditions), which enables stable, low-pollution combustion in a given air flow field .
- the fuel admission pressure drops due to the falling total fuel mass flow.
- the energy required for atomization for pressure atomizers is over given the fuel admission pressure, so that the atomization quality worsens in this load range and the penetration depth of the fuel spray into the air flow becomes smaller due to the low fuel admission pressure.
- the invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of developing a pressure atomizing nozzle which has a simple construction, requires only a small installation space and enables a spray angle of the liquid to be atomized which is adapted to the respective operating conditions.
- a sufficiently large nozzle admission pressure should be generated even with small fuel mass flows (approx. 25% based on nominal load conditions), while the nozzle with a large fuel mass flow (approx. 100-120% based on nominal load conditions) should not generate an excessively high nozzle admission pressure should need.
- the drop spray produced in this way is intended to enable low-pollutant and stable combustion over the entire load range of the gas turbine.
- a pressure atomizing nozzle comprising a nozzle body, in which a turbulence and / or swirl chamber is formed, which is connected to an outside space via a nozzle bore and has at least one first feed channel for the liquid to be atomized, through which said liquid is submerged Pressure can be supplied, in that at least one further supply channel for part of the liquid to be atomized or for a second liquid to be atomized opens into the chamber, through which said part of the liquid or the second liquid can be supplied under pressure and with swirl .
- this two-stage pressure atomizing nozzle enables adaptation of the pot spray (atomization quality, drop size, spray angle) to the respective load conditions. Furthermore, the nozzle is characterized by a simple design that takes up little space.
- the main atomizer stage thus consists of a swirl-free, turbulence-assisted pressure atomizer nozzle which, at high nozzle admission pressures, for example 100 bar, delivers very fine atomization with extremely small spray angles.
- the rotating movement creates a hollow cone flow at the nozzle hole, so that the liquid only exits the nozzle as a film from a certain mass fraction that is supplied by the swirl stage. If the mass fraction of the swirl stage is increased with falling total liquid mass flow, the liquid admission pressure can be kept at a high level, so that fine atomization can be maintained even with a low mass flow.
- the liquid spray cone angle is larger at low load, this compensates for the lower penetration depth of the liquid spray into the air flow. Since a very small spray cone angle is desired at full load and overload, the liquid mass flow to be atomized flowing through the swirl channels is reduced or completely switched off in these cases.
- the liquid to be atomized can be fed into the chamber via the first feed channel (s) with swirling action.
- the pressure atomizer nozzle is operated at full and overload operation via a main pressure swirl stage with a low swirl, by swirling the entire liquid to be atomized via at least one first supply channel to the swirl chamber, where a swirled flow is generated which then passes through the nozzle bore into the outside space , and in partial and low-load operation it is additionally operated via a further pressure swirl stage with a larger swirl, in that part of the liquid to be atomized or a second liquid to be atomized is more swirled through the at least one further supply channel and there is a strongly swirled flow is generated, which then passes through the nozzle bore into the outside space, the proportion of the more swirled liquid supplied via the further swirl stage being increased as the total liquid mass flow decreases, this can be done e way an excellent adaptation of the atomization to the respective load range.
- the nozzle according to the invention is advantageously used in a premix burner of the double-cone design or in a four-slot burner, part of the combustion air (approx. 3 to 7%) being conducted in the jacket flow around the nozzle in the vicinity of the nozzle. This avoids local detachment and recirculation areas. The recirculation zone is prevented from moving into the interior of the burner.
- FIGS. 1 to 3 show a first exemplary embodiment of the invention, FIG. 1 showing the pressure atomizing nozzle in a partial longitudinal section and FIGS. 2 and 3 showing two cross sections in different planes.
- the pressure atomizing nozzle comprises a nozzle body 30, consisting of a first tube 31, which is closed at its end seen in the direction of flow by a conical cover 32. In the middle of the cover 32 there is a nozzle bore 33, the longitudinal axis of which is designated by 34.
- a second tube 35 which has a smaller outside diameter than the inside diameter of the first tube 31, is inserted into the tube 31 and extends as far as the cover 32 and rests thereon.
- the annular space 36 between the two tubes 31 and 35 serves to supply the or a part of the liquid 37 to be atomized.
- the end of the tube 35 resting on the cover 32 is provided with four tangentially arranged slots 38 which connect the annular space 36 to produce a chamber 39 which serves as a swirl chamber for the liquid 37 to be atomized flowing through the slots 38.
- the chamber 39 is delimited by the inner walls of the cover 32 and the second tube 35, and by a filler 40 which is inserted in the interior of the second tube 35 and fastened therein. This filler 40 is spaced from the top edge of the slots 38, however, it can also be at the same height in another embodiment variant.
- the pressure atomizing nozzle according to the invention thus has two stages - a turbulence generator stage (see FIG. 2) and a pressure swirl stage (see FIG. 3).
- the pressure atomizing nozzle can also be provided with more or fewer slots 38 or feed channels 41.
- the feed channel 41 can extend over the entire circumference of the filler 40, so that an annular gap results as a feed channel into the turbulence chamber 39. A different distribution of the channels over the circumference is also possible.
- FIGS. 4 to 6 show a further exemplary embodiment of the invention, FIG. 4 showing the pressure atomizing nozzle according to the invention in a partial longitudinal section and FIGS. 5 and 6 showing two cross sections in different planes.
- the structure of the nozzle differs from the exemplary embodiment described above only in that a swirl main stage is present in the nozzle instead of the turbulence generator stage.
- the supply channels 41a in contrast to the supply channels 41 in FIG. 1, are not arranged axially aligned in the filler 40, but are positioned tangentially, so that the liquid 37 to be atomized swirls in both via the channels 38 and via the channels 41a the chamber 39 arrives. It is important that the liquid 37 to be atomized receives only a small swirl, which leads to a narrow spray cone angle ⁇ , when it has flowed through the channels 41a, while the swirl of the liquid 37 is greater after flowing through the channels 38 and thus a larger one Spray cone angle ⁇ is achievable.
- the pressure atomizing nozzle comprises a nozzle body 30, consisting of a first tube 31, which is closed at its end seen in the direction of flow by a conical cover 32. In turn, the nozzle bore 33 is arranged in the cover 32.
- a second tube 35 is inserted, which has a smaller outside diameter than the inside diameter of the first tube 31, so that an annular channel 36 is formed between the tubes 31 and 35, which according to FIG. 7 has a different height due to different inserts can have.
- This ring channel 36 serves as a feed line for a swirl stage.
- the second tube 35 is delimited by a filler 40 of larger diameter, which encloses the chamber 39 with the cover 32 of the first tube 31.
- At least one tangential swirl channel 38 for connecting the ring channel 36 to the chamber 39 is arranged in the filler 40.
- 6 channels 38 are advantageous.
- at least one feed channel 41 is also arranged axially parallel as a turbulence channel for the liquid to be atomized, the feed channel / feed channels 41 opening into the swirl channel / swirl channels 38.
- channels 38 and 41 are arranged so that, for example, the swirl channels 38 into the Open channels 41, so that the liquid to be atomized only enters the chamber 39 via the channels 41.
- Fig. 8 shows a schematic representation of a possible liquid supply system to the pressure atomizing nozzle.
- the liquid to be atomized in this case liquid fuel (oil) 12
- a return valve 49 is used to set the pump admission pressure.
- a shut-off valve 50 is arranged in the fuel line between the pump 42 and the pressure vessel 43.
- Two lines 44, 45 extend from the pressure vessel 43, the line 44 feeding the annular space 36 (and thus the swirl atomizer stage) and the line 45 being connected to the feed channels 41 (turbulence generator stage) or 41a (swirl atomizer stage).
- a control valve 46 and 47 is arranged in each of the lines 44 and 45, which allow the respective amount of liquid supplied to be regulated.
- one of the two valves 46, 47 can also be completely closed, so that in this case only one of the two atomizing stages of the nozzle is in operation. Smooth switching is possible between the two stages.
- several burners for example a gas turbine combustion chamber, are to be supplied with fuel via this fuel supply system.
- the circuit shown has the advantage that only the two valves 46, 47, i.e. only one control valve per stage.
- FIG. 9 Another embodiment variant analogous to FIG. 8 is shown in FIG. 9.
- the pressure atomizing nozzle is fed with water 51 via a feed line 44 and with oil 12 via a feed line 45.
- a pump 42 is arranged in each of the lines 44 and 45 and a shut-off valve 50 is arranged downstream, with which the lines 44 and 45 can optionally be closed.
- the amount of the liquids 12, 51 to be atomized is regulated by means of the control valves 46, 47. If, as indicated in FIG. 9, several burners, for example a gas turbine combustion chamber, are supplied with liquid fuel 12 or water 51 via this liquid supply system, then the nozzle can be operated at the start or at partial load by only atomizing oil 12 finely via the main swirl stage .
- the swirl stage can be designed for maximum pressure at maximum fuel mass flow ⁇ BS .
- water 51 is then supplied via line 44.
- Water 51 and oil 12 mix in chamber 39 and form an emulsion which is atomized when it emerges from the nozzle. This leads to a reduction in NOx emissions.
- FIG. 10 shows the distribution of the fuel mass flow in BS as a function of the radius R of the spray in a pressure atomizer nozzle according to the embodiment variant shown in FIG. 1 at a certain distance from the nozzle. If only the turbulence-generating stage is operated, a very narrow spray cone angle ⁇ is achieved. If, on the other hand, only the swirl generator stage is operated, this has an effect in a larger spray cone angle ⁇ . With the combined operation of both stages, the mass distribution between the two stages can be varied continuously.
- FIG. 11 shows the distribution of the fuel mass flow in BS as a function of the radius R of the spray in a pressure atomizer nozzle according to the embodiment variant shown in FIG. 4 at a certain distance from the nozzle.
- the pressure atomizing nozzle according to the invention can, for example, be installed in a gas turbine burner and operated as follows:
- a pressure atomizer nozzle is to be used in an embodiment variant according to FIG. 1. Since a very narrow spray cone angle ⁇ is desired for full load and overload, only the turbulence-assisted atomizer stage is used. For this purpose, the entire fuel mass flow to be atomized is supplied without swirl to the turbulence chamber 39 via at least one feed channel 41 (four feed channels 41 according to FIG. 1), a highly turbulent flow being generated there, which then passes through the nozzle bore 33 into the burner.
- This main stage delivers a very fine atomization with an extremely narrow spray cone angle ⁇ (approx. 20 °) at nozzle admission pressures of approx. 100 bar.
- this turbulence-assisted pressure atomizer stage is combined with a swirl stage for the generation of small drops at low throughputs.
- part of the fuel to be atomized is swirled into the chamber 30 via at least one further feed channel 38 (four feed channels 38 according to FIG. 1), so that the turbulence chamber 30 is additionally used as a swirl chamber.
- the rotating movement creates a hollow cone flow at the nozzle bore 33. From a certain mass fraction that is passed through the swirl stage, the fuel only emerges as a film from the nozzle.
- the fuel admission pressure can be kept at a high level (> 10 bar) and fine atomization can be maintained even with a low mass flow.
- the spray cone angle becomes low load ⁇ enlarged. Since the depth of penetration of the fuel spray into the air flow is lower at low load than at full load, this is compensated for by the larger spray cone angle ⁇ .
- a very narrow spray cone angle ⁇ is desirable for full load and overload. For this purpose, the fuel mass flow flowing through the swirl channels 38 must be switched off completely, so that the behavior of a pure turbulence-assisted pressure atomizer nozzle is achieved.
- a pressure atomizer nozzle according to FIG. 4 is used, then during full and overload operation of the gas turbine, the entire fuel to be atomized is fed to the swirl chamber 39 with a small swirl via at least one first feed channel 41a (four feed channels 41a according to FIG. 4), one swirling there Flow is generated, which then passes through the nozzle bore 33 into the outside space. Due to the low swirl, a narrow spray cone angle ⁇ is achieved, which leads to fine atomization of the fuel at high pressures. In partial and low-load operation, part of the fuel to be atomized is additionally swirled to the chamber 39 via the at least one further feed channel 38 (four feed channels 38 according to FIG. 4).
- the pressure atomizing nozzle according to the invention can be installed, for example, in a premix burner of the double-cone type, the basic structure of which is described in EP 0 321 809 B1.
- 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 19, 20 on both sides of the partial cone bodies 1, 2 in the opposite inflow arrangement, 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.
- the pressure atomizing nozzle 3 according to the invention, which is 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 liquid fuel 12 is atomized by means of the nozzle 3 in the manner described above. Different spray cone angles ⁇ result depending on the respective operating conditions.
- the fuel spray 4 is enclosed in the interior 14 of the burner by the combustion air stream 15 flowing tangentially into the burner through the air inlet slots 19, 20; the mixture is ignited only at the outlet of the burner, the flame being stabilized in the region of the burner mouth by a backflow zone 6.
- 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 a further fuel 13 (gaseous or liquid) can flow.
- 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 21a, 21b can be seen from FIGS. 13 to 15. 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 19, 20 is thereby changed. Of course, the burner can also be operated without these baffles 21a, 21b.
- a burner can also be operated with the method just described, consisting essentially of a swirl generator 100 for a combustion air stream 15 and of means for injecting a fuel, in which a mixing section 220 is arranged downstream of the swirl generator 100 and this has transition channels 201 running in the flow direction within a first section part 200 for transferring a flow formed in the swirl generator 100 into the flow cross section 18 downstream of the transition channels 201 of the mixing section 220, the means for injecting the fuel being a pressure atomizer nozzle according to the invention, which according to one of the The method described above is operated.
- the swirl generator 100 is preferably a conical structure, which is acted upon tangentially several times (for example via four slots) by the combustion air flow 15 flowing in tangentially.
- This combustion air flow 15 wraps around the fuel drop spray 4, which was previously formed by atomizing the liquid fuel 12 in the two-stage pressure atomizing nozzle 3.
- the flow that is formed is seamlessly transferred to a transition piece 200, which is extended by a tube 18, using a transition geometry (transition channels 201) provided downstream of the swirl generator 100. Both parts form the mixing section 220, to which the actual combustion chamber (not shown here) is connected on the downstream side.
- the mixing section allows the fuel to be premixed very well with the combustion air, enables low-loss flow control and prevents the flame from re-igniting from the combustion chamber due to the maximum axial speed on the axis. Since the axial speed drops towards the wall, bores 48 are provided in the wall of the tube, through which combustion air 15 flows, which causes an increase in speed along the wall. Only downstream of the mixing tube 220 does a central backflow zone 6, which has the properties of a flame holder, form. It is also advantageous here if 3 up to 7% of the combustion air flow 15 are guided as a jacket air flow 15a around the pressure atomizing nozzle. This in turn prevents separation and recirculation areas in the vicinity of the nozzle.
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Druckzerstäuberdüse, umfasssend einen Düsenkörper, in welchem eine Turbulenz- oder Drallkammer ausgebildet ist, welche über eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht und mindestens einen Zufuhrkanal für die zu zerstäubende Flüssigkeit aufweist, durch welchen besagte Flüssigkeit unter Druck zuführbar ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Druckzerstäuberdüse.The invention relates to the field of combustion technology. It relates to a pressure atomizing nozzle, comprising a nozzle body, in which a turbulence or swirl chamber is formed, which is connected to an outside space via a nozzle bore and has at least one supply channel for the liquid to be atomized, through which said liquid can be supplied under pressure, and a method of operating this pressure atomizing nozzle.
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 (siehe Lueger - Lexikon der Technik, Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965, Band 7, S.600) wird durch eine Ölpumpe das Öl unter hohem Druck 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 0 321 809 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 insbesondere bei der Verbrennung unter erhöhtem Druck 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, especially when burning under increased pressure.
- 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 keinen kleinen 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 propagation, the atomization quality is restricted and the impulse of the drop spray is low.
Als Folge dieser ungenügenden Verdampfung und Vormischung des Brennstoffes ist deshalb eine Wasserzugabe zum lokalen 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 inadequate evaporation and premixing of the fuel, it is therefore necessary to add water to lower the flame temperature locally and thus NOx formation. Since the supplied water often also interferes with flame zones, which in themselves generate little NOx, but are very important for flame stability, instabilities such as flame pulsation and / or poor burnout often occur, which leads to an increase in CO emissions.
Eine Verbesserung ist mit der aus EP 0 496 016 B1 bekannten 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.An improvement can be achieved with the high-pressure atomizing nozzle known from EP 0 496 016 B1. 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.
Beim Betrieb von Gasturbinenbrennern mit flüssigem Brennstoff ist man bestrebt, möglichst über den gesamten Lastbereich der Gasturbine (ca. 10% bis 120% Brennstoffmassenstrom bezogen auf Nennlastbedingungen) ein Tropfenspray zu erzeugen, das im gesamten Bereich eine schadstoffarme und stabile Verbrennung in einem vorgegebenen Luftströmungsfeld ermöglicht.When operating gas turbine burners with liquid fuel, the aim is to generate a drop spray over the entire load range of the gas turbine (approx. 10% to 120% fuel mass flow based on nominal load conditions), which enables stable, low-pollution combustion in a given air flow field .
Der Einsatz einer oben beschriebenen Hochdruckzerstäuberdüse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff in Gasturbinenbrennern führt bei Vollast und Überlast (100-120%) wunschgemäss zwar zu einem nicht zu hohen Druck (100 bar) und einer geringen Tröpfchengrösse, wobei aufgrund des engen Spraywinkels unerwünschte Wandbenetzung und Verkokung vermieden werden.The use of a high-pressure atomizer nozzle as described above for atomizing liquid fuel in gas turbine burners, as desired, does not lead to a too high pressure (100 bar) and a small droplet size under full load and overload (100 bar), with undesirable wall wetting and coking due to the narrow spray angle be avoided.
Bei Teillast sinkt jedoch der Brennstoffvordruck aufgrund des fallenden Gesamtbrennstoffmassenstromes ab. Die zur Zerstäubung erforderliche Energie für Druckzerstäuber ist aber über den Brennstoffvordruck gegeben, so dass sich in diesem Lastbereich die Zerstäubungsgüte verschlechtert und die Eindringtiefe des Brennstoffsprays in die Luftströmung durch den niedrigen Brennstoffvordruck geringer wird.At partial load, however, the fuel admission pressure drops due to the falling total fuel mass flow. However, the energy required for atomization for pressure atomizers is over given the fuel admission pressure, so that the atomization quality worsens in this load range and the penetration depth of the fuel spray into the air flow becomes smaller due to the low fuel admission pressure.
Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckzerstäuberdüse zu entwickeln, die eine einfache Bauart aufweist, nur einen geringen Bauraum benötigt und einen an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepassten Spraywinkel der zu zerstäubenden Flüssigkeit ermöglicht. Beim Einsatz dieser Druckzerstäuberdüse in einem Gasturbinenbrenner soll schon bei kleinen Brennstoffmassenströmen (ca. 25% bezogen auf Nennlastbedingungen) ein hinreichend grosser Düsenvordruck erzeugt werden, während die Düse bei grossen Brennstoffmassenströmen (ca. 100-120% bezogen auf Nennlastbedingungen) einen nicht zu hohen Düsenvordruck benötigen soll. Mit dem so erzeugten Tropfenspray soll über den gesamten Lastbereich der Gasturbine eine schadstoffarme und stabile Verbrennung ermöglicht werden.The invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of developing a pressure atomizing nozzle which has a simple construction, requires only a small installation space and enables a spray angle of the liquid to be atomized which is adapted to the respective operating conditions. When using this pressure atomizing nozzle in a gas turbine burner, a sufficiently large nozzle admission pressure should be generated even with small fuel mass flows (approx. 25% based on nominal load conditions), while the nozzle with a large fuel mass flow (approx. 100-120% based on nominal load conditions) should not generate an excessively high nozzle admission pressure should need. The drop spray produced in this way is intended to enable low-pollutant and stable combustion over the entire load range of the gas turbine.
Erfindungsgemäss wird das bei einer Druckzerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper, in welchem eine Turbulenz- und/oder Drallkammer ausgebildet ist, welche über eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht und mindestens einen ersten Zufuhrkanal für die zu zerstäubende Flüssigkeit aufweist, durch welchen besagte Flüssigkeit unter Druck zuführbar ist, dadurch erreicht, dass in die Kammer mindestens ein weiterer Zufuhrkanal für einen Teil der zu zerstäubende Flüssigkeit bzw. für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit mündet, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit bzw. die zweite Flüssigkeit unter Druck und mit Drall zuführbar ist.According to the invention, this is the case with a pressure atomizing nozzle, comprising a nozzle body, in which a turbulence and / or swirl chamber is formed, which is connected to an outside space via a nozzle bore and has at least one first feed channel for the liquid to be atomized, through which said liquid is submerged Pressure can be supplied, in that at least one further supply channel for part of the liquid to be atomized or for a second liquid to be atomized opens into the chamber, through which said part of the liquid or the second liquid can be supplied under pressure and with swirl .
Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, dass durch diese zweistufige Druckzerstäuberdüse eine Anpassung des Topfensprays (Zerstäubungsgüte, Tropfengrösse, Spraywinkel) an die jeweiligen Lastbedingungen ermöglicht wird. Weiterhin zeichnet sich die Düse durch eine einfache Bauart aus, welche nur wenig Platz benötigt.The advantages of the invention are, inter alia, that this two-stage pressure atomizing nozzle enables adaptation of the pot spray (atomization quality, drop size, spray angle) to the respective load conditions. Furthermore, the nozzle is characterized by a simple design that takes up little space.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die Druckzerstäuberdüse so ausgebildet ist, dass die zu zerstäubende Flüssigkeit drallfrei über den/die ersten Zufuhrkanal/Zufuhrkanäle in die Kammer zuführbar ist. Die Hauptzerstäuberstufe besteht somit aus einer drallfreien turbulenzunterstützten Druckzerstäuberdüse, die bei hohen Düsenvordrücken, z.B. 100 bar, eine sehr feine Zerstäubung mit extrem kleinen Spraywinkeln liefert. Durch die Kombination dieser Turbulenzzerstäuberstufe mit der oben beschriebenen Drallstufe, bei der bei kleinen Durchsätzen kleine Tropfen erzeugt werden, kann eine gute Anpassung der Zerstäubung an die jeweiligen Betriebsbedingungen erfolgen. Der durch die Drallkanäle in die Kammer gebrachte Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit rotiert in der Kammer. Durch die rotierende Bewegung wird am Düsenloch eine Hohlkegelströmung erzeugt, so dass die Flüssigkeit ab einem gewissen Massenanteil, der durch die Drallstufe zugeführt wird, nur noch als Film aus der Düse austritt. Wird nun der Massenanteil der Drallstufe mit fallendem Gesamtflüssigkeitsmassenstrom vergrössert, kann der Flüssigkeitsvordruck auf hohem Niveau gehalten werden, so dass auch bei niedrigem Massenstrom eine feine Zerstäubung beibehalten werden kann. Der Flüssigkeitsspraykegelwinkel ist bei niedriger Last grösser, dies kompensiert die geringere Eindringtiefe des Flüssigkeitssprays in die Luftströmung. Da bei Vollast und Überlast ein sehr kleiner Spraykegelwinkel erwünscht ist, wird in diesen Fällen der durch die Drallkanäle zuströmende zu zerstäubende Flüssigkeitsmassenstrom reduziert oder vollständig abgeschaltet.It is particularly expedient if the pressure atomizing nozzle is designed in such a way that the liquid to be atomized can be fed into the chamber via the first supply channel (s) without any swirl. The main atomizer stage thus consists of a swirl-free, turbulence-assisted pressure atomizer nozzle which, at high nozzle admission pressures, for example 100 bar, delivers very fine atomization with extremely small spray angles. By combining this turbulence atomizer stage with the swirl stage described above, in which small drops are generated at low throughputs, the atomization can be adapted well to the respective operating conditions. The part of the liquid to be atomized brought into the chamber through the swirl channels rotates in the chamber. The rotating movement creates a hollow cone flow at the nozzle hole, so that the liquid only exits the nozzle as a film from a certain mass fraction that is supplied by the swirl stage. If the mass fraction of the swirl stage is increased with falling total liquid mass flow, the liquid admission pressure can be kept at a high level, so that fine atomization can be maintained even with a low mass flow. The liquid spray cone angle is larger at low load, this compensates for the lower penetration depth of the liquid spray into the air flow. Since a very small spray cone angle is desired at full load and overload, the liquid mass flow to be atomized flowing through the swirl channels is reduced or completely switched off in these cases.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn bei der erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse die zu zerstäubende Flüssigkeit drallbehaftet über den/die ersten Zufuhrkanal/Zufuhrkanäle in die Kammer zuführbar ist. Dadurch wird eine zweistufige Druckdrallzerstäuberdüse gebildet, bei der beide Stufen in einer gemeinsamen Kammer, die hier eine Drallkammer ist, zusammengeführt werden. Wenn die zu zerstäubende Flüssigkeit nun mit geringem Drall in die Hauptdrallstufe geführt wird, wird ein enger Spraywinkel der zu zerstäubenden Flüssigkeit erreicht.Furthermore, it is advantageous if, in the pressure atomizing nozzle according to the invention, the liquid to be atomized can be fed into the chamber via the first feed channel (s) with swirling action. This forms a two-stage pressure swirl atomizer nozzle in which the two stages are brought together in a common chamber, which is a swirl chamber here. If the liquid to be atomized is now led into the main swirl stage with a small swirl, a narrow spray angle of the liquid to be atomized is achieved.
Wird die Druckzerstäuberdüse bei Voll- und Überlastbetrieb über eine Druckdrallhauptstufe mit geringem Drall betrieben, indem die gesamte zu zerstäubende Flüssigkeit über mindestens einen ersten Zufuhrkanal der Drallkammer verdrallt zugeführt wird, wobei dort eine verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die Düsenbohrung in den Aussenraum gelangt, und wird sie bei Teil- und Niedriglastbetrieb zusätzlich über eine weitere Druckdrallstufe mit grösserem Drall betrieben, indem ein Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit oder eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit über den mindestens einen weiteren Zufuhrkanal stärker verdrallt der Kammer zugeführt wird und dort eine stark verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die Düsenbohrung in den Aussenraum gelangt, wobei der Anteil der über die weitere Drallstufe zugeführten stärker verdrallten Flüssigkeit mit fallendem Gesamtflüssigkeitsmassenstrom vergrössert wird, so kann auf diese Weise eine hervorragende Anpassung der Zerstäubung an den jeweiligen Lastbereich erfolgen.If the pressure atomizer nozzle is operated at full and overload operation via a main pressure swirl stage with a low swirl, by swirling the entire liquid to be atomized via at least one first supply channel to the swirl chamber, where a swirled flow is generated which then passes through the nozzle bore into the outside space , and in partial and low-load operation it is additionally operated via a further pressure swirl stage with a larger swirl, in that part of the liquid to be atomized or a second liquid to be atomized is more swirled through the at least one further supply channel and there is a strongly swirled flow is generated, which then passes through the nozzle bore into the outside space, the proportion of the more swirled liquid supplied via the further swirl stage being increased as the total liquid mass flow decreases, this can be done e way an excellent adaptation of the atomization to the respective load range.
Vorteilhaft ist ein gleitendes Umschalten zwischen den beiden Stufen, sowie je nach Lastbedingungen der Betrieb der Düse mit nur einer der beiden Stufen.It is advantageous to switch smoothly between the two stages and, depending on the load conditions, to operate the nozzle with only one of the two stages.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous configurations of the pressure atomizing nozzle according to the invention are described in the subclaims.
Schliesslich wird mit Vorteil die erfindungsgemässe Düse in einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart oder einem Vierschlitzbrenner eingesetzt, wobei im Düsennahbereich ein Teil der Verbrennungsluft (ca. 3 bis 7%) im Mantelstrom um die Düse geführt wird. Dadurch werden lokale Ablöse- und Rezirkulationsgebiete vermieden. Es wird verhindert, dass die Rezirkulationszone in das Innere des Brenners verschoben wird.Finally, the nozzle according to the invention is advantageously used in a premix burner of the double-cone design or in a four-slot burner, part of the combustion air (approx. 3 to 7%) being conducted in the jacket flow around the nozzle in the vicinity of the nozzle. This avoids local detachment and recirculation areas. The recirculation zone is prevented from moving into the interior of the burner.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Several exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse mit Turbulenzstufe und Drallstufe;
- Fig. 2
- einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1 im Bereich der Turbulenzstufe entlang der Linie II-II;
- Fig. 3
- einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1 im Bereich der Drallstufe entlang der Linie III-III;
- Fig. 4
- einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse mit zwei Drallstufen;
- Fig. 5
- einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 4 im Bereich der Drallhauptstufe entlang der Linie V-V;
- Fig. 6
- einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 4 im Bereich der weiteren Drallstufe entlang der Linie VI-VI;
- Fig. 7
- einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse wie in Fig. 1 in einer anderen Ausführungsvariante;
- Fig. 8
- eine schematische Darstellung des Flüssigkeitszufuhrsystems zur zweistufigen Druckzerstäuberdüse, wobei in beiden Stufen Öl zerstäubt wird;
- Fig. 9
- eine schematische Darstellung des Flüssigkeitszufuhrsystems zur zweistufigen Druckzerstäuberdüse, wobei in beiden Stufen jeweils unterschiedliche Flüssigkeiten(Öl, Wasser) zerstäubt werden;
- Fig. 10
- eine schematische Darstellung der Massenstromverteilung für eine Düse gemäss Fig. 1;
- Fig. 11
- eine schematische Darstellung der Massenstromverteilung für eine Düse gemäss Fig. 4;
- Fig. 12
- einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart in perspektivischer Darstellung
- Fig. 13
- einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene XIII-XIII gemäss Fig. 12;
- Fig. 14
- einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene XIV-XIV gemäss Fig. 12;
- Fig. 15
- einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene XV-XV gemäss Fig. 12;
- Fig. 16
- eine schematische Ansicht eines Doppelkegelbrenners mit Mantelluftstromführung im Düsennahbereich;
- Fig. 17
- eine schematische Ansicht eines Vierschlitzbrenners mit Mantelluftstromführung im Düsennahbereich.
- Fig. 1
- a partial longitudinal section of a pressure atomizing nozzle with turbulence stage and swirl stage;
- Fig. 2
- a cross section of the pressure atomizing nozzle of Figure 1 in the region of the turbulence stage along the line II-II.
- Fig. 3
- a cross section of the pressure atomizing nozzle of Figure 1 in the region of the swirl stage along the line III-III.
- Fig. 4
- a partial longitudinal section of a pressure atomizing nozzle with two swirl stages;
- Fig. 5
- a cross section of the pressure atomizing nozzle of Figure 4 in the region of the main swirl stage along the line VV.
- Fig. 6
- a cross section of the pressure atomizing nozzle according to Figure 4 in the region of the further swirl stage along the line VI-VI.
- Fig. 7
- a partial longitudinal section of a pressure atomizing nozzle as in Figure 1 in another embodiment.
- Fig. 8
- a schematic representation of the liquid supply system to the two-stage pressure atomizing nozzle, with oil being atomized in both stages;
- Fig. 9
- is a schematic representation of the liquid supply system for the two-stage pressure atomizing nozzle, different liquids (oil, water) being atomized in each of the two stages;
- Fig. 10
- a schematic representation of the mass flow distribution for a nozzle according to FIG. 1;
- Fig. 11
- a schematic representation of the mass flow distribution for a nozzle according to FIG. 4;
- Fig. 12
- a premix burner of the double cone type in perspective
- Fig. 13
- a simplified section in the plane XIII-XIII of FIG. 12;
- Fig. 14
- a simplified section in the plane XIV-XIV of FIG. 12;
- Fig. 15
- a simplified section in the plane XV-XV of FIG. 12;
- Fig. 16
- a schematic view of a double cone burner with jacket air flow in the vicinity of the nozzle;
- Fig. 17
- is a schematic view of a four-slot burner with jacket air flow in the vicinity of the nozzle.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.Only the elements essential for understanding the invention are shown. Identical elements are provided with the same reference symbols in the various figures. The direction of flow of the media is indicated by arrows.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 16 näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments and FIGS. 1 to 16.
Fig. 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 1 die Druckzerstäuberdüse in einem Teillängsschnitt darstellt und die Fig. 2 und 3 zwei Querschnitte in unterschiedlichen Ebenen zeigen.1 to 3 show a first exemplary embodiment of the invention, FIG. 1 showing the pressure atomizing nozzle in a partial longitudinal section and FIGS. 2 and 3 showing two cross sections in different planes.
Die Druckzerstäuberdüse umfasst einen Düsenkörper 30, bestehend aus einem ersten Rohr 31, das an seinem in Strömungsrichtung gesehenen Ende durch einen kegeligen Deckel 32 verschlossen ist. In der Mitte des Deckels 32 ist eine Düsenbohrung 33 angeordnet, deren Längsachse mit 34 bezeichnet ist. In das Rohr 31 ist ein zweites, einen kleineren Aussendurchmesser als der Innendurchmesser des ersten Rohres 31 aufweisendes Rohr 35 eingesetzt, das bis an den Deckel 32 heranreicht und auf diesem aufliegt. Der Ringraum 36 zwischen den beiden Rohren 31 und 35 dient der Zufuhr der bzw. eines Teiles der zu zerstäubenden Flüssigkeit 37. Das auf dem Deckel 32 aufliegende Ende des Rohres 35 ist mit vier tangential angestellten Schlitzen 38 versehen, die eine Verbindung des Ringraumes 36 mit einer Kammer 39 herstellen, welche als Drallkammer für die durch die Schlitze 38 einströmende zu zerstäubende Flüssigkeit 37 dient. Die Kammer 39 wird begrenzt durch die Innenwände des Deckels 32 und des zweiten Rohres 35, sowie durch ein Füllstück 40, welches im Inneren des zweiten Rohres 35 eingeschoben und darin befestigt ist. Dieses Füllstück 40 ist von der Oberkante der Schlitze 38 beabstandet, es kann sich aber bei einer anderen Ausführungsvariante auch auf gleicher Höhe befinden. Im Füllstück 40 sind vier Zufuhrkanäle 41 für die zu zerstäubende Flüssigkeit 37 angeordnet, die eine drallfreie Zuströmung der Flüssigkeit 37 in die Kammer 39 ermöglichen, so dass die Kammer 39 in diesem Falle als Turbulenzkammer dient. Die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse weist somit zwei Stufen auf - eine Turbulenzerzeugerstufe (s. Fig. 2) und eine Druckdrallstufe (s. Fig. 3).The pressure atomizing nozzle comprises a
Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Druckzerstäuberdüse auch mit mehr oder weniger Schlitzen 38 bzw. Zufuhrkanälen 41 versehen sein. Beispielsweise kann sich der Zufuhrkanal 41 über den gesamten Umfang des Füllstückes 40 erstrecken, so dass sich ein Ringspalt als Zufuhrkanal in die Turbulenzkammer 39 ergibt. Ebenso ist auch eine andere Verteilung der Kanäle über den Umfang möglich.In a departure from the exemplary embodiment shown, the pressure atomizing nozzle can also be provided with more or
Fig. 4 bis 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 4 die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse in einem Teillängsschnitt darstellt und die Fig. 5 und 6 zwei Querschnitte in unterschiedlichen Ebenen zeigen.4 to 6 show a further exemplary embodiment of the invention, FIG. 4 showing the pressure atomizing nozzle according to the invention in a partial longitudinal section and FIGS. 5 and 6 showing two cross sections in different planes.
Der Aufbau der Düse unterscheidet sich vom oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass anstelle der Turbulenzerzeugerstufe eine Drallhauptstufe in der Düse vorhanden ist. Dazu sind die Zufuhrkanäle 41a im Gegensatz zu den Zufuhrkanälen 41 in Fig. 1 hier nicht axial ausgerichtet im Füllstück 40 angeordnet, sondern sie sind tangential angestellt, so dass die zu zerstäubende Flüssigkeit 37 sowohl über die Kanäle 38 als auch über die Kanäle 41a verdrallt in die Kammer 39 gelangt. Dabei ist wichtig, dass die zu zerstäubende Flüssigkeit 37 nur einen geringen Drall, der zu einem engen Spraykegelwinkel φ führt, erhält, wenn sie die Kanäle 41a durchströmt hat, während der Drall der Flüssigkeit 37 nach Durchströmen der Kanäle 38 grösser ist und damit ein grösserer Spraykegelwinkel φ erreichbar ist. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 ist dargestellt, dass die Düse von zwei zu zerstäubenden Flüssigkeiten 37 und 37' beaufschlagt wird. Beide Flüssigkeiten 37, 37' werden der Kammer 39, die in diesem Falle eine reine Drallkammer ist, verdrallt zugeführt, wobei die Flüssigkeit 37 weniger verdrallt ist als die Flüssigkeit 37'. Durch die unterschiedliche Verdrallung kann der Spraykegelwinkel φ und damit die Verteilung des Flüssigkeitsmassenstromes nach der Düse beeinflusst werden.The structure of the nozzle differs from the exemplary embodiment described above only in that a swirl main stage is present in the nozzle instead of the turbulence generator stage. For this purpose, the
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen zweistufigen Druckzerstäuberdüse mit einer Turbulenzerzeugerstufe und einer Drallstufe. Die Druckzerstäuberdüse umfasst einen Düsenkörper 30, bestehend aus einem ersten Rohr 31, das an seinem in Strömungsrichtung gesehenen Ende durch einen kegeligen Deckel 32 verschlossen ist. Im Deckel 32 ist wiederum die Düsenbohrung 33 angeordnet. Im ersten Rohr 31 ist ein zweites Rohr 35, welches einen kleineren Aussendurchmesser aufweist als der Innendurchmesser des ersten Rohres 31, eingesetzt, so dass sich zwischen den Rohren 31 und 35 ein Ringkanal 36 ausbildet, der gemäss Fig. 7 wegen verschiedener Einsätze eine unterschiedliche Höhe aufweisen kann. Dieser Ringkanal 36 dient als Zuleitung für eine Drallstufe. Das zweite Rohr 35 wird von einem Füllstück 40 grösseren Durchmessers begrenzt, welches mit dem Deckel 32 des ersten Rohres 31 die Kammer 39 umschliesst. Im Füllstück 40 ist mindestens ein tangential angestellter Drallkanal 38 zur Verbindung des Ringkanales 36 mit der Kammer 39 angeordnet. Vorteilhaft sind beispielsweise 6 Kanäle 38. Im zweiten Rohr 35 und im Füllstück 40 ist ausserdem mindestens ein Zufuhrkanal 41 als Turbulenzkanal für die zu zerstäubende Flüssigkeit achsparallel angeordnet, wobei der/die Zufuhrkanal/Zufuhrkanäle 41 in den/die Drallkanal/Drallkanäle 38 einmünden.7 shows a further embodiment variant of a two-stage pressure atomizer nozzle according to the invention with a turbulence generator stage and a swirl stage. The pressure atomizing nozzle comprises a
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kanäle 38 und 41 so anzuordnen, dass beispielsweise die Drallkanäle 38 in die Kanäle 41 einmünden, so dass die zu zerstäubende Flüssiqkeit nur über die Kanäle 41 in die Kammer 39 gelangt.Of course, it is also possible to arrange the
Fig. 8 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mögliches Flüssigkeitszufuhrsystem zur Druckzerstäuberdüse. Über eine Pumpe 42 wird die zu zerstäubende Flüssigkeit, in diesem Falle flüssiger Brennstoff (Öl) 12, in einen Druckbehälter 43 gepumpt. Ein Rücklaufventil 49 dient der Einstellung des Pumpenvordruckes. Zwischen der Pumpe 42 und dem Druckbehälter 43 ist in der Brennstoffleitung ein Absperrventil 50 angeordnet. Vom Druckbehälter 43 gehen zwei Leitungen 44, 45 ab, wobei die Leitung 44 den Ringraum 36 (und damit die Drallzerstäuberstufestufe) speist und die Leitung 45 mit den Zufuhrkanälen 41 (Turbulenzerzeugerstufe) bzw. 41a (Drallzerstäuberstufe) in Verbindung steht. In den Leitungen 44 und 45 ist jeweils ein Steuerventil 46 bzw. 47 angeordnet, welche eine Regulierung der jeweiligen zugeführten Flüssigkeitsmenge gestatten. Je nach Bedarf kann auch eines der beiden Ventile 46, 47 völlig geschlossen sein, so dass in diesem Falle nur eine der beiden Zerstäuberstufen der Düse in Betrieb ist. Zwischen beiden Stufen ist ein gleitendes Umschalten möglich. Wie in Fig. 8 angedeutet ist, sollen über dieses Brennstoffzufuhrsystem mehrere Brenner beispielsweise einer Gasturbinenbrennkammer mit Brennstoff versorgt werden. Die gezeigte Schaltung hat den Vorteil, dass zur Regelung der zwei Zerstäuberstufen nur die beiden Ventile 46, 47, d.h. nur ein Steuerventil pro Stufe, notwendig sind.Fig. 8 shows a schematic representation of a possible liquid supply system to the pressure atomizing nozzle. The liquid to be atomized, in this case liquid fuel (oil) 12, is pumped into a
In Fig. 9 ist eine andere Ausführungsvariante analog zu Fig. 8 dargestellt. Die Druckzerstäuberdüse wird in diesem Falle über eine Zufuhrleitung 44 mit Wasser 51 und eine Zufuhrleitung 45 mit Öl 12 gespeist. In den Leitungen 44 und 45 ist jeweils eine Pumpe 42 und stromabwärts ein Abstellventil 50 angeordnet, mit dem wahlweise die Leitungen 44 und 45 geschlossen werden können. Die Menge der zu zerstäubenden Flüssigkeiten 12, 51 wird mittels der Steuerventile 46, 47 geregelt. Werden, wie in Fig. 9 angedeutet, über dieses Flüssigkeitszufuhrystem mehrere Brenner beispielsweise einer Gasturbinenbrennkammer mit flüssigem Brennstoff 12 bzw. Wasser 51 versorgt, so kann beim Start bzw. bei Teillast die Düse betrieben werden, indem nur Öl 12 über die Drallhauptstufe fein zerstäubt wird. Die Drallstufe kann dabei für Maximaldruck bei maximalem Brennstoffmassenstrom ṁBS ausgelegt werden. Bei höherer Last bzw. Vollast erfolgt dann über die Leitung 44 eine Zufuhr von Wasser 51. Wasser 51 und Öl 12 vermischen sich in der Kammer 39 und bilden eine Emulsion, welche beim Austritt aus der Düse zerstäubt wird. Dies führt zur Senkung der NOx-Emissionen. Auch hier ergibt sich als Vorteil, dass nur ein Steuerventil pro Zerstäuberstufe notwendig ist, dass für den Gasturbinenbetrieb nur eine Ölleitung notwendig ist und dass die Drallstufe für reinen Ölbetrieb ausgelegt werden kann, da die Zufuhr von Wasser 51 durch die Leitung 44 zu einer Erhöhung des Gesamtmassenstromes bei gleichem Druck führt.Another embodiment variant analogous to FIG. 8 is shown in FIG. 9. In this case, the pressure atomizing nozzle is fed with
Fig. 10 zeigt die Verteilung des Brennstoffmassenstromes ṁBS in Abhängigkeit vom Radius R des Sprays bei einer Druckzerstäuberdüse gemäss der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante in einem gewissen Abstand von der Düse. Wird nur die turbulenzerzeugende Stufe betrieben, so wird ein sehr enger Spraykegelwinkel φ erreicht. Wird dagegen nur die Drallerzeugerstufe betrieben, so wirkt sich dies in einem grösseren Spraykegelwinkel φ aus. Beim kombinierten Betrieb beider Stufen kann stufenlos die Massenverteilung zwischen beiden Stufen variiert werden.FIG. 10 shows the distribution of the fuel mass flow in BS as a function of the radius R of the spray in a pressure atomizer nozzle according to the embodiment variant shown in FIG. 1 at a certain distance from the nozzle. If only the turbulence-generating stage is operated, a very narrow spray cone angle φ is achieved. If, on the other hand, only the swirl generator stage is operated, this has an effect in a larger spray cone angle φ. With the combined operation of both stages, the mass distribution between the two stages can be varied continuously.
Fig. 11 zeigt die Verteilung des Brennstoffmassenstromes ṁBS in Abhängigkeit vom Radius R des Sprays bei einer Druckzerstäuberdüse gemäss der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante in einem gewissen Abstand von der Düse. Beim kombinierten Betrieb der beiden mit unterschiedlichen Spraykegelwinkeln φ arbeitenden Drallstufen kann ebenfalls die Massenstromverteilung zwischen beiden Stufen variiert werden.FIG. 11 shows the distribution of the fuel mass flow in BS as a function of the radius R of the spray in a pressure atomizer nozzle according to the embodiment variant shown in FIG. 4 at a certain distance from the nozzle. Combined operation of the two with different spray cone angles φ working swirl stages, the mass flow distribution between the two stages can also be varied.
Die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse kann beispielsweise in einen Gasturbinenbrenner eingebaut und folgendermassen betrieben werden:The pressure atomizing nozzle according to the invention can, for example, be installed in a gas turbine burner and operated as follows:
Zunächst soll eine Druckzerstäuberdüse in einer Ausführungsvariante nach Fig. 1 verwendet werden. Da für Vollast und Überlast ein sehr enger Spraykegelwinkel φ erwünscht ist, wird nur die turbulenzunterstützte Zerstäuberstufe benutzt. Dazu wird der gesamte zu zerstäubende Brennstoffmassenstrom über mindestens einen Zufuhrkanal 41 (nach Fig. 1 vier Zufuhrkanäle 41) der Turbulenzkammer 39 unverdrallt zugeführt, wobei dort eine hochturbulente Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die Düsenbohrung 33 in den Brenner gelangt. Diese Hauptstufe liefert bei Düsenvordrücken von ca. 100 bar eine sehr feine Zerstäubung mit einem extrem engen Spraykegelwinkel φ (ca. 20°). Bei Teil- und Niedriglastbetrieb wird diese turbulenzunterstützte Druckzerstäuberstufe mit einer Drallstufe zur Erzeugung kleiner Tropfen bei kleinen Durchsätzen kombiniert. Dazu wird ein Teil des zu zerstäubenden Brennstoffes über mindestens einen weiteren Zufuhrkanal 38 (nach Fig. 1 vier Zufuhrkanäle 38) verdrallt der Kammer 30 zugeführt, so dass die Turbulenzkammer 30 zusätzlich als Drallkammer benutzt wird. Durch die rotierende Bewegung wird an der Düsenbohrung 33 eine Hohlkegelströmung erzeugt. Der Brennstoff tritt ab einem gewissen Massenanteil, der durch die Drallstufe geführt wird, nur noch als Film aus der Düse aus. Wird nun der Anteil des durch die Drallstufe geführten Brennstoffmassenstromes mit fallendem Gesamtbrennstoffmassenstrom vergrössert, kann der Brennstoffvordruck auf einem hohen Niveau (>10 bar) gehalten werden und somit eine feine Zerstäubung auch bei niedrigem Massenstrom beibehalten werden. Zusätzlich wird bei niedriger Last dadurch der Spraykegelwinkel φ vergrössert. Da bei niedriger Last die Eindringtiefe des Brennstoffsprays in die Luftströmung geringer ist als bei Vollast, wird dies durch den grösseren Spraykegelwinkel φ kompensiert. Für Vollast und Überlast ist ein sehr enger Spraykegelwinkel φ erwünscht. Dazu muss der durch die Drallkanäle 38 zuströmende Brennstoffmassenstrom vollständig abgeschaltet werden, so dass das Verhalten einer reinen turbulenzunterstützten Druckzerstäuberdüse erreicht wird.First, a pressure atomizer nozzle is to be used in an embodiment variant according to FIG. 1. Since a very narrow spray cone angle φ is desired for full load and overload, only the turbulence-assisted atomizer stage is used. For this purpose, the entire fuel mass flow to be atomized is supplied without swirl to the
Wird eine Druckzerstäuberdüse gemäss Fig. 4 verwendet, so wird bei Voll- und Überlastbetrieb der Gasturbine der gesamte zu zerstäubende Brennstoff über mindestens einen ersten Zufuhrkanal 41a (nach Fig. 4 vier Zufuhrkanäle 41a) der Drallkammer 39 mit geringem Drall zugeführt, wobei dort eine verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die Düsenbohrung 33 in den Aussenraum gelangt. Durch den geringen Drall wird ein enger Spraykegelwinkel φ realisiert, der bei hohen Drücken zu einer feinen Zerstäubung des Brennstoffes führt. Bei Teil- und Niedriglastbetrieb wird zusätzlich ein Teil des zu zerstäubenden Brennstoffes über den mindestens einen weiteren Zufuhrkanal 38 (nach Fig. 4 vier Zufuhrkanäle 38) stärker verdrallt der Kammer 39 zugeführt. In der Kammer 39 wird dadurch eine stärker verdrallte Strömung erzeugt, welche anschliessend durch die Düsenbohrung 33 in den Aussenraum gelangt, wobei der Anteil des über die weitere Drallstufe zugeführten stärker verdrallten Brennstoffmassenstromes mit fallendem Gesamtbrennstoffmassenstrom vergrössert wird. Die starke Verdrallung führt hierbei zu einem grösseren Spraykegelwinkel φ, welcher wiederum die niedrigere Eindringtiefe des Brennstoffsprays in die Luftströmung kompensiert. Durch die variable Gestaltung des Spraykegelwinkels φ kann eine optimale Anpassung der Zerstäubung des Brennstoffes an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Gasturbine erfolgen. Im Gegensatz zu üblichen zweistufigen Dralldüsen werden bei der erfindungsgemässen Ausführung beide Stufen in einer gemeinsamen Drallkammer zusammengeführt. Ausserdem ist es möglich, je nach Lastbereich verschiedene Flüssigkeiten, z.B. Öl 12 und Wasser 51, in den beiden Stufen zu zerstäuben.If a pressure atomizer nozzle according to FIG. 4 is used, then during full and overload operation of the gas turbine, the entire fuel to be atomized is fed to the
Die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse kann beispielsweise in einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart, dessen prinzipieller Aufbau in EP 0 321 809 B1 beschrieben ist, eingebaut werden.The pressure atomizing nozzle according to the invention can be installed, for example, in a premix burner of the double-cone type, the basic structure of which is described in EP 0 321 809 B1.
Fig. 12 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 die erfindungsgemässe Druckzerstäubungsdüse 3, welche etwa im engsten Querschnitt des kegelförmigen Innenraums 14 des Brenners angeordnet ist. Selbstverständlich kann der Brenner auch ohne zylindrischen Anfangsteil, also rein kegelig ausgeführt sein. Der flüssige Brennstoff 12 wird mittels der Düse 3 in oben beschriebener Art und Weise zerstäubt. In Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen ergeben sich unterschiedliche Spraykegelwinkel φ. Der Brennstoffspray 4 wird im Innenraum 14 des Brenners von dem durch die Lufteintrittsschlitze 19, 20 tangential in den Brenner einströmenden Verbrennungsluftstrom 15 umschlossen, die Zündung des Gemisches erfolgt erst am Ausgang des Brenners, wobei im Bereich der Brennermündung die Flamme durch eine Rückströmzone 6 stabilisiert wird.12 shows a perspective view of the double-cone burner with an 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) strömen kann. 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. 13 bis 15 ist die Anordnung von Leitblechen 21a, 21b 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
Da bei diesen Brennern die Gefahr besteht, dass sich im Düsennahbereich Ablöse- und Rezirkulationsgebiete bilden, wird dies gemäss Fig. 16 verhindert, indem um die Düse 3 ein Kanal 24 angeordnet wird, durch den ein Mantelluftsttrom 15a als Spülluft strömt. Der Mantelluftstrom 15a beträgt etwa 3 bis 7% des Verbrennungsluftstromes 15.Since there is a risk with these burners that detachment and recirculation areas form in the vicinity of the nozzle, this is prevented according to FIG. 16 by arranging a
Selbstverständlich kann mit dem eben beschriebenen Verfahren auch ein Brenner (s. Fig. 17) betrieben werden, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger 100 für einen Verbrennungsluftstrom 15 und aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes, bei dem stromab des Drallerzeugers 100 eine Mischstrecke 220 angeordnet ist und diese innerhalb eines ersten Streckenteiles 200 in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle 201 zur Überführung einer im Drallerzeuger 100 gebildeten Strömung in den stromab der Übergangskanäle 201 nachgeschalteten Durchflussquerschnitt 18 der Mischstrecke 220 aufweist, wobei das Mittel zur Eindüsung des Brennstoffes eine erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse ist, welche nach einem der oben beschriebenen Verfahren betrieben wird. Der Drallerzeuger 100 ist bevorzugt ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach (z.B. über vier Schlitze) vom tangential einströmenden Verbrennungsluftstrom 15 beaufschlagt wird. Dieser Verbrennungsluftstrom 15 legt sich um den Brennstofftropfenspray 4, der zuvor durch Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 12 in der zweistufigen Druckzerstäuberdüse 3 gebildet wurde. Die sich bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangsgeometrie (Übergangskanäle 201) nahtlos in ein Übergangsstück 200 übergeleitet, welches durch ein Rohr 18 verlängert ist. Beide Teile bilden die Mischstrecke 220, an die sich abströmseitig die eigentliche, hier nicht dargestellte Brennkammer anschliesst. Die Mischstrecke erlaubt eine sehr gute Vormischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft, ermöglicht eine verlustarme Strömungsführung und verhindert durch ein Maximum an Axialgeschwindigkeit auf der Achse eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer. Da die Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt, sind in der Wand des Rohres 18 Bohrungen 48 vorgesehen, durch die Verbrennungsluft 15 einströmt, welche entlang der Wand eine Geschwindigkeitserhöhung hervorruft. Erst stromab des Mischrohres 220 bildet sich eine zentrale Rückströmzone 6, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Auch hier ist es von Vorteil, wenn 3 bis 7% des Verbrennungsluftstromes 15 als Mantelluftstrom 15a um die Druckzerstäuberdüse geführt werden. Auf diese Weise werden wiederum Ablöse- und Rezirkulationsgebiete im Düsennahbereich verhindert.Of course, a burner (see FIG. 17) can also be operated with the method just described, consisting essentially of a
- 1, 21, 2
- TeilkegelkörperPartial cone body
- 1a, 2a1a, 2a
- zylindrischer Anfangsteilcylindrical initial part
- 1b, 2b1b, 2b
- Mittelachse der TeilkegelkörperCentral axis of the partial cone body
- 33rd
- ZerstäuberdüseAtomizer 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
- 15a15a
- Mantelluftstrom (Teil von Pos. 15)Jacket air flow (part of item 15)
- 1616
- Eindüsung BrennstoffInjection fuel
- 1717th
- Öffnungenopenings
- 1818th
- Rohrpipe
- 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
- 3030th
- DüsenkörperNozzle body
- 3131
- erstes Rohrfirst pipe
- 3232
-
Deckel von Pos. 31Cover of
item 31 - 3333
- DüsenbohrungNozzle bore
- 3434
- Längsachse der DüseLongitudinal axis of the nozzle
- 3535
- zweites Rohrsecond pipe
- 3636
-
Ringraum zwischen Pos. 31 und 35Annulus between
31 and 35items - 3737
- zu zerstäubende Flüssigkeitliquid to be atomized
- 37'37 '
- zweite zu zerstäubende Flüssigkeitsecond liquid to be atomized
- 3838
- tangential angestellter Schlitztangential slit
- 3939
- Turbulenz- und/oder DrallkammerTurbulence and / or swirl chamber
- 4040
- FüllstückFilling piece
- 4141
- Zufuhrkanal (axial ausgerichtet)Feed channel (axially aligned)
- 41a41a
- Zufuhrkanal (tangential angestellt)Feed channel (set tangentially)
- 4242
- Pumpepump
- 4343
- Druckbehälterpressure vessel
- 4444
- Leitungmanagement
- 4545
- Leitungmanagement
- 4646
- Ventil in Pos. 44Valve in pos. 44
- 4747
- Ventil in Pos. 45Valve in pos. 45
- 4848
- Bohrungen in Pos. 18Bores in pos. 18
- 4949
- RücklaufventilReturn valve
- 5050
- AbsperrventilShut-off valve
- 5151
- Wasserwater
- 100100
- DrallerzeugerSwirl generator
- 200200
- ÜbergangsstückTransition piece
- 201201
- ÜbergangskanalTransition channel
- 220220
- MischrohrMixing tube
- αα
- KegelhalbwinkelCone half angle
- φφ
- SpraykegelwinkelSpray cone angle
- RR
- Radius des SpraysRadius of the spray
- ṁBS ṁ BS
- BrennstoffmassenstromMass flow of fuel
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