EP0852516B1 - Brennstoffdüsenanordnung und verfahren zur durchflussregulierung - Google Patents

Brennstoffdüsenanordnung und verfahren zur durchflussregulierung Download PDF

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EP0852516B1
EP0852516B1 EP96944567A EP96944567A EP0852516B1 EP 0852516 B1 EP0852516 B1 EP 0852516B1 EP 96944567 A EP96944567 A EP 96944567A EP 96944567 A EP96944567 A EP 96944567A EP 0852516 B1 EP0852516 B1 EP 0852516B1
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EP
European Patent Office
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fuel
backflow
region
nozzle arrangement
annular gap
Prior art date
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EP96944567A
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English (en)
French (fr)
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EP0852516A1 (de
Inventor
Bernard Becker
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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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
    • F23D11/24—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space
    • F23D11/26—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space with provision for varying the rate at which the fuel is sprayed
    • F23D11/28—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space with provision for varying the rate at which the fuel is sprayed with flow-back of fuel at the burner, e.g. using by-pass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl
    • B05B1/3405—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl
    • B05B1/341—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet
    • B05B1/3421—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber
    • B05B1/3426—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber the channels emerging in the swirl chamber perpendicularly to the outlet axis

Definitions

  • the invention relates to a fuel nozzle arrangement according to the preamble of claim 1.
  • Such Fuel nozzle assembly is known from GB649970.
  • the invention further relates to use of such a fuel nozzle arrangement and a method for regulating the fuel supply of a Fluid fuel burner.
  • DD-PS 22 076 is an atomizer with a return control for liquid fuels, for example for gas turbine plants, described in which an improvement of Closing process of its outlet opening is to be achieved.
  • Fuel is fed into the atomizer via tangential feed channels fed to a vortex chamber. In the bottom of the vortex chamber breakthroughs not specified are provided through the amount of fuel to be returned by one or more Return channels and a return line in a fuel tank is returned.
  • DE 32 35 080 A1 is also on the configuration of an outlet opening of an injection nozzle received.
  • the return injector described for a gas turbine burner has a cylindrical one Return needle in the flow return.
  • the object of the invention is a fuel nozzle arrangement with a backflow area for backflow of fuel specify which is easy to manufacture and even mechanical and thermal loads over a longer period Remains geometrically precisely fixed over a period of time. Another The object of the invention is to use a such a fuel nozzle arrangement and a method for control to indicate the fuel supply of a fluid fuel burner.
  • this is based on a fuel nozzle arrangement for a fluid fuel burner solved a fuel nozzle assembly having a major axis has, along which a backflow area, a fuel nozzle and an inflow region are arranged, the Inflow area between the fuel nozzle and the backflow area is in the inflow area a swirl flow of fuel can be generated and the backflow area one has an annular gap adjacent to the inflow region, which tapers away from the inflow area and merges into a return flow line.
  • the backflow area with the annular gap which tapers into a return flow line can be mechanically simple, for example, produced by turning and / or drilling is geometric in the fuel nozzle assembly precisely adjustable and due to the simple geometry and manufacturability even with high thermomechanical loads fixed in its geometric arrangement.
  • An annular gap is formed, preferably along the main axis and has the shape of a needle.
  • This core is also geometrically fixed and can serve to stabilize a vortex flow of the fuel, which leads out of the fuel nozzle.
  • This vortex flow is caused, for example, by a tangential inflow reached by fuel in the inflow area, the Inflow in the tangential direction to a perpendicular to the Main axis extending circle takes place.
  • the fuel flow supplied divides in the inflow area, whereby part over the annular gap and the return flow line into one Fuel storage is traceable. In the annular gap this reduces the swirl of the fuel flow, so that an essentially swirl-free or at least reduced Twisted fuel flow in the return line is present.
  • the flow resistance in the return line therefore has a small value.
  • the swirl reduction in the backflow area starts far upstream, i.e. near the inflow area and takes place in a more or depending on the degree of rejuvenation less long axial area.
  • the swirl is also reduced starting with a weak effect, causing the rotational symmetry the swirling fuel flow in the fuel nozzle is not disturbed.
  • the backflow area a maximum of two parts, especially one only part that can be built.
  • the annular gap is preferred largely circular and symmetrical to the main axis executed, which affects the rotational symmetry the vortex flow in the fuel nozzle safely is avoided.
  • the annular gap has a cross section, which alternately consists of narrow areas and wide areas. These alternating narrow areas and wide areas are preferably realized in that the annular gap continuously merges into a plurality of flow channels, which open into the at least one return flow line.
  • Each flow channel has a preferably circular one Cross section with a diameter, preferably in Axial direction remains constant and thus from one a certain range of taper of the annular gap forms in the cross section of the annular gap.
  • the flow channels are preferably holes, in particular are directed axially to the main axis.
  • the flow channels are preferably symmetrical, in particular arranged on a circle with a center on the main axis.
  • three or more flow channels are provided, in particular five to ten.
  • the flow channels preferably overlap axially with the Return flow line, which is made as an axial bore can be.
  • the return line can have a diameter of about 2 cm. Due to the overlap of the flow channels with the return flow line is an inflow of fuel in the return flow line with low flow resistance reached.
  • the center line of the particular as axial bores executed flow channels is preferably for this purpose on the outer circumference of the return line.
  • the backflow area of the fuel nozzle assembly is preferred produced by turning and / or drilling. He can made from a single part due to the simple geometry his. Of course there is also a backflow area possible from several assembled components. With the component containing the return flow line is the Backflow area preferably connected by welding. Other mounting options, for example using pins, are also conceivable. It is also possible to get in one out of one single part manufactured backflow area also the backflow line to integrate, especially by drilling.
  • the use in an oil burner is particular due to the exact reproducible geometry of the Backflow area, precise centric alignment, as well as by the stable, even with a pulsating fuel flow robust design is an advantage. In particular, it is falling out larger parts impossible, so that a disturbance of the Fuel flow in the fuel nozzle can be excluded can and therefore a particularly effective operation of the oil burner is guaranteed. Also the maintenance effort due to the low wear in the backflow area low.
  • the on a method of regulating the fuel supply of a fluid fuel burner is achieved according to the invention solved in that in a fuel nozzle assembly a constant amount of fuel is fed and the amount of fuel flowing back via a return flow line through a control valve provided in the return flow line is regulated. This also causes the fuel nozzle flowing fuel amount regulated.
  • the fuel nozzle assembly preferably has a main axis, one Backflow area, an inflow area and a fuel nozzle, arranged in that order along the major axis are, in the inflow area a swirl flow, in particular through a tangential feed of the fuel, can be generated.
  • the backflow area instructs one the inflow area adjacent annular gap, which is tapers towards away from the inflow area and into the Reverse flow line merges. With the process is the quantitative ratio the amount of fuel passed through the return flow line and the amount of fuel passed through the fuel nozzle in a ratio of 1:40, in particular 1:30, adjustable.
  • the fuel nozzle assembly 1 shows a fuel nozzle arrangement 1 in a longitudinal section shown, which is directed along a major axis 5 and largely rotationally symmetrical about this main axis 5 is.
  • the fuel nozzle assembly 1 has along the Main axis 5, starting from the right edge of the drawing, a fuel nozzle 3, an adjoining inflow area 2 and a further downstream flow area 4.
  • the backflow area 4 has an annular annular gap 6 on the downstream in a tapered area (Swirl reduction area) D1, D2 tapered.
  • the annular gap 6 is continuous in a plurality of Flow channels 11, which are designed as bores, over.
  • the annular gap 6 forms on its side facing the inflow region 2 Side a metallic core 13 of the backflow area 4, which is arranged centrally to the main axis 5.
  • the flow channels 11 run axially to the main axis 5 and open into a centrally arranged to the main axis 5 Return flow line 7. This return flow line 7 is also executed as a hole.
  • the flow channels 11 have one respective center point 16, which in each case on the outer circumference 15 of the return flow line 7 are arranged. Downstream of the Flow channels 11 is a control valve in the flow line 7 12 arranged.
  • FIG 3 shows a cross section perpendicular to the main axis 5 in an area between the overlap area K and the Swirl reduction area D1, D2 with six flow channels 11 with circular cross-section, the center points 16 on a to the main axis 5 are arranged in a central circle.
  • the tapering annular gap 6 has one Cross section 8, the alternating narrow areas 9 and wide Has areas 10.
  • the wide areas 10 are by the Flow channels 11 formed.
  • the annular gap 6 encloses one core 13 formed centrally to the main axis 5.
  • the fuel fed into the fuel nozzle arrangement 1 enters the inflow region 2 via an inflow channel 17 tangential direction.
  • Part of this Flow is in the backflow area according to flow arrows 14 4 led.
  • Another part flows in the form of a vortex from the fuel nozzle 3 into a not shown Combustion chamber.
  • This eddy current is caused by the core 13 stabilized so that a uniform injection of fuel into the combustion chamber is guaranteed. by virtue of the thermomechanical stable geometric fixation of the Backflow area 4 is this even injection over a longer period of time with high thermomechanical loads given.
  • the swirling part the flow entering the annular gap 6 is experienced in the tapered area D1 or D2 a reduction in Twist. As a result, occurs in the axial overlap area K a flow of the fuel into the return flow line 7, which is largely swirl-free.
  • the control valve 12 Through the control valve 12 is the flow cross section of the return flow line 7 can be changed. Depending on the flow cross-section of the flow line 7, the amount of fuel flowing back is regulated. With a constant fuel mass flow that flows into the inflow area 2 is introduced, is done by adjustment the flow cross section of the return flow line 7 also automatic regulation of the fuel nozzle 3 amount of fuel injected.
  • With the fuel nozzle arrangement 1 is the ratio of those passed through the return flow line 7 Amount of fuel entering the fuel nozzle 3 Fuel quantity adjustable between 1:30. This matches with the requirements of an oil burner for a gas turbine, which from idle operation to maximum power operation is to be regulated.
  • the invention is characterized by a particularly robust and easy to produce backflow area of a fuel nozzle arrangement, especially for an oil burner Gas turbine, off.
  • the backflow area has an annular gap, which one to the main axis of the fuel nozzle arrangement centric and rotationally symmetrical core (central body) forms to stabilize the injection flow of the fuel nozzle serves.
  • the annular gap tapers towards one Return flow line steadily and goes continuously into flow channels about. These flow channels are preferred axially to the main axis and axially overlap with the also axially and centrally to the main axis Backflow.
  • the entire backflow area can be out manufacture a single part by turning and / or drilling. This makes it simple and easy to manufacture Manufacturing a precisely reproducible geometry, in particular a central arrangement, guaranteed.
  • the backflow area is even with a pulsating flow and high thermomechanical loads in its geometric Position firmly fixed. A tearing off or falling out larger and smaller parts with an impairment of the flow in the fuel nozzle is safely avoided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüsenanordnung (1) für einen Fluidbrennstoffbrenner mit einer Hauptachse (5) und einem Rückströmbereich (4), einer Brennstoffdüse (3) und einem Einströmbereich (2), welcher entlang der Hauptachse (5) zwischen der Brennstoffdüse (3) und dem Rückströmbereich (4) angeordnet ist. In dem Einströmbereich (2) ist eine Drallströmung von Brennstoff erzeugbar. Der Rückströmbereich (4) weist einen an den Einströmbereich (2) angrenzenden Ringspalt (6) auf, welcher sich in Richtung stromab des Einströmbereichs (2) verjüngt und in eine Rückströmleitung (7) übergeht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der Brennstoffdüsenanordnung (1) in einem Ölbrenner für eine Gasturbine sowie ein Verfahren zur Regulierung der Brennstoffzuführung eines Fluidbrennstoffbrenners.

Description

Die Erfindunq betrifft eine Brennstoffdüsenanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Brennstoffdüsenanordnung ist aus GB649970 Bekannt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer solchen Brennstoffdüsenanordnung sowie ein Verfahren zur Regulierung der Brennstoffzufuhr eines Fluidbrennstoffbrenners.
Bei Fluidbrennstoffbrennern, insbesondere in einer Gasturbine, wird der Fluidbrennstoff über eine Brennstoffdüsenanordnung in eine Brennkammer eingedüst. In Abhängigkeit der zu erzeugenden Wärmeleistung sowie der durch die Verbrennung des Fluidbrennstoff entstehenden Heißgasmenge ist eine Steuerung der zugeführten Brennstoffmenge erforderlich. Diese Regulierung der Brennstoffmenge kann bei einer konstant in die Brennstoffdüsenanordnung eingespeisten Brennstoffmenge dadurch erreicht werden, daß eine Rückströmung von Brennstoff aus der Brennstoffdüsenanordnung ohne Einleitung in die Brennkammer erfolgt.
In der DD-PS 22 076 ist ein Zerstäuber mit einer Rücklaufregelung für flüssige Brennstoffe, beispielsweise für Gasturbinenanlagen, beschrieben, bei dem eine Verbesserung des Schließvorgangs seiner Austrittsöffnung erreicht werden soll. In dem Zerstäuber wird über tangentiale Zuführkanäle Brennstoff einer Wirbelkammer zugeführt. Im Boden der Wirbelkammer sind nicht näher spezifizierte Durchbrüche vorgesehen, durch die die rückzuführende Brennstoffmenge durch einen oder mehrere Rücklaufkanäle und eine Rücklaufleitung in einen Brennstofftank rückgeführt wird. In der DE 32 35 080 A1 wird ebenfalls auf die Ausgestaltung einer Austrittsöffnung einer Einspritzdüse eingegangen. Die beschriebene Rücklaufeinspritzdüse für einen Gasturbinenbrenner weist eine zylindrische Rücklaufnadel in der Strömungsrückführung auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffdüsenanordnung mit einem Rückströmbereich zur Rückströmung von Brennstoff anzugeben, welcher einfach herstellbar ist und selbst bei mechanischen und thermischen Belastungen über einen längeren Zeitraum hinweg geometrisch exakt fixiert bleibt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verwendung einer solchen Brennstoffdüsenanordnung sowie ein Verfahren zur Regelung der Brennstoffzufuhr eines Fluidbrennstoffbrenners anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Brennstoffdüsenanordnung für einen Fluidbrennstoffbrenner gerichtete Aufgabe durch eine Brennstoffdüsenanordnung gelöst, welche eine Hauptachse aufweist, entlang derer ein Rückströmbereich, eine Brennstoffdüse und ein Einströmbereich angeordnet sind, wobei der Einströmbereich zwischen der Brennstoffdüse und dem Rückströmbereich liegt, in dem Einströmbereich eine Drallströmung von Brennstoff erzeugbar ist und der Rückströmbereich einen an den Einströmbereich angrenzenden Ringspalt aufweist, welcher sich in Richtung weg von dem Einströmbereich verjüngt und in eine Rückströmleitung übergeht.
Der Rückströmbereich mit dem Ringspalt, welcher sich verjüngend in eine Rückströmleitung übergeht, kann mechanisch einfach, beispielsweise durch Drehen und/oder Bohren, hergestellt werden, ist in der Brennstoffdüsenanordnung geometrisch exakt ausrichtbar und aufgrund der einfachen Geometrie und Herstellbarkeit auch bei hohen thermomechanischen Belastungen in seiner geometrischen Anordnung fixiert. Durch den Ringspalt wird ein Kern gebildet, der vorzugsweise entlang der Hauptachse gerichtet ist und die Form einer Nadel besitzt. Dieser Kern ist ebenfalls geometrisch fixiert und kann der Stabilisierung einer Wirbelströmung des Brennstoffs dienen, welche aus der Brennstoffdüse herausführt. Diese Wirbelströmung wird beispielsweise durch ein tangentiales Einströmen von Brennstoff in den Einströmbereich erreicht, wobei die Einströmung in tangentialer Richtung an einen senkrecht zur Hauptachse verlaufenden Kreis erfolgt. Die zugeführte Brennstoffströmung teilt sich in dem Einströmbereich auf, wobei ein Teil über den Ringspalt und die Rückströmleitung in einen Brennstoffspeicher rückführbar ist. In dem Ringspalt wird hierbei der Drall der Brennstoffströmung abgebaut, so daß eine im wesentlichen drallfreie oder zumindest mit vermindertem Drall behaftete Brennstoffströmung in der Rückströmleitung vorliegt. Der Strömungswiderstand in der Rückströmleitung hat somit einen kleinen Wert. Bei Durchströmen des Ringspaltes in Richtung der Hauptachse wird je nach gewählter Verjüngung der in der Strömung herrschende Drall entsprechend stark abgebaut, wobei eine Rückwirkung auf die Rotationssymmetrie der Brennstoffströmung in der Brennstoffdüse vermieden wird. Durch den einfachen geometrischen Aufbau ist zudem eine Formbeständigkeit des durch den Ringspalt gebildeten Kerns gewährleistet. Auch sind die Strömungsverluste in dem Rückströmbereich gering. Der Drallabbau in dem Rückströmbereich beginnt weit stromaufwärts, d.h. in der Nähe des Einströmbereichs und erfolgt je nach Verjüngungsgrad in einem mehr oder weniger langen axialen Bereich. Der Drallabbau erfolgt zudem mit schwacher Wirkung beginnend, wodurch die Rotationssymmetrie der wirbelbehafteten Brennstoffströmung in der Brennstoffdüse nicht gestört wird.
Von besonderem Vorteil ist es darüber hinaus, daß der Rückströmbereich aus maximal zwei Teilen, insbesondere aus einem einzigen Teil, aufgebaut werden kann. Der Ringspalt ist vorzugsweise weitgehend kreisförmig und zur Hauptachse symmetrisch ausgeführt, wodurch eine Beeinflussung der Rotationssymmetrie der Wirbelströmung in der Brennstoffdüse sicher vermieden wird.
Zu einer Reduzierung des Dralls der Brennstoffströmung in dem Rückströmbereich weist der Ringspalt einen Querschnitt auf, der abwechselnd aus engen Bereichen und weiten Bereichen besteht. Diese abwechselnd engen Bereiche und weiten Bereiche werden vorzugsweise dadurch realisiert, daß der Ringspalt kontinuierlich in eine Mehrzahl von Strömungskanälen übergeht, welche in die zumindest eine Rückströmleitung einmünden. Jeder Strömungskanal hat einen vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, der vorzugsweise in axialer Richtung gesehen konstant bleibt und somit ab einem bestimmten Verjüngungsgrad des Ringspaltes einen weiten Bereich in dem Querschnitt des Ringspaltes bildet. Die Strömungskanäle sind vorzugsweise Bohrungen, die insbesondere axial zur Hauptachse gerichtet sind. Somit lassen sich die Strömungskanäle sowie der Ringspalt durch Bohren und/oder Drehen einfach mechanisch herstellen, wobei der Rückströmbereich somit aus einem einzigen, insbesondere metallischen Block, in wenigen Arbeitsschritten herstellbar ist.
Die Strömungskanäle sind vorzugsweise symmetrisch, insbesondere auf einem Kreis mit Mittelpunkt auf der Hauptachse angeordnet. Um eine möglichst widerstandsfreie Strömung von dem Ringspalt in die Rückströmleitung zu gewährleisten, sind vorzugsweise drei oder mehr Strömungskanäle vorgesehen, insbesondere fünf bis zehn.
Die Strömungskanäle überlappen bevorzugtermaßen axial mit der Rückströmleitung, welche als eine axiale Bohrung hergestellt sein kann. Die Rückströmleitung kann einen Durchmesser von etwa 2 cm haben. Durch die Überlappung der Strömungskanäle mit der Rückströmleitung ist eine Einströmung des Brennstoffes in die Rückströmleitung mit geringem Strömungswiderstand erreicht. Die Mittellinie der insbesondere als axiale Bohrungen ausgeführten Strömungskanäle liegt hierzu vorzugsweise auf dem Außenumfang der Rückströmleitung.
Der Rückströmbereich der Brennstoffdüsenanordnung ist vorzugsweise durch Drehen und/oder Bohren hergestellt. Er kann aufgrund der einfachen Geometrie aus einem einzigen Teil gefertigt sein. Selbstverständlich ist ebenfalls ein Rückströmbereich aus mehreren zusammengesetzten Komponenten möglich. Mit dem die Rückströmleitung enthaltenden Bauteil ist der Rückströmbereich vorzugsweise mittels Schweißens verbunden. Andere Befestigungsmöglichkeiten, beispielsweise über Stifte, sind ebenfalls denkbar. Auch ist es möglich, in ein aus einem einzigen Teil gefertigten Rückströmbereich auch die Rückströmleitung zu integrieren, insbesondere durch Bohren einzubringen.
Eine erfindungsgemäße Verwendung einer Brennstoffdüsenanordnung mit einer Hauptachse und einem Rückströmbereich, einem Einströmbereich und einer Brennstoffdüse, die in dieser Reihenfolge entlang der Hauptachse angeordnet sind, wobei in dem Einströmbereich eine Drallströmung von Brennstoff erzeugbar ist und der Rückströmbereich einen an den Einströmbereich angrenzenden Ringspalt aufweist, welcher sich in Richtung weg von dem Einströmbereich verjüngt und in eine Rückströmleitung übergeht, erfolgt in einem Ölbrenner, insbesondere für eine Gasturbine. Die Verwendung in einem Ölbrenner ist insbesondere aufgrund der genauen reproduzierbaren Geometrie des Rückströmbereichs, genaue zentrische Ausrichtung, sowie durch die stabile, auch bei einer pulsierenden Brennstoffströmung robuste Ausführung von Vorteil. Insbesondere ist das Herausfallen größerer Teile unmöglich, so daß eine Störung der Brennstoffströmung in der Brennstoffdüse ausgeschlossen werden kann und dadurch ein besonders effektiver Betrieb des Ölbrenners gewährleistet ist. Auch ist der Wartungsaufwand durch den geringen Verschleiß in dem Rückströmbereich ebenfalls gering.
Die auf ein Verfahren zur Regulierung der Brennstoffzufuhr eines Fluidbrennstoffbrenners gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in eine Brennstoffdüsenanordnung eine konstante Brennstoffmenge eingespeist wird und die über eine Rückströmleitung zurückströmende Brennstoffmenge durch ein in der Rückströmleitung vorgesehenes Regelventil geregelt wird. Hierdurch wird ebenfalls die durch die Brennstoffdüse strömende Brennstoffmenge geregelt. Die Brennstoffdüsenanordnung hat hierzu vorzugsweise eine Hauptachse, einen Rückströmbereich, einen Einströmbereich und eine Brennstoffdüse, die in dieser Reihenfolge entlang der Hauptachse angeordnet sind, wobei in dem Einströmbereich eine Drallströmung, insbesondere durch eine tangentiale Einspeisung des Brennstoffes, erzeugbar ist. Der Rückströmbereich weist einen an den Einströmbereich angrenzenden Ringspalt auf, welcher sich in Richtung weg von dem Einströmbereich verjüngt und in die Rückströmleitung übergeht. Mit dem Verfahren ist das Mengenverhältnis der durch die Rückströmleitung geführten Brennstoffmenge und der durch die Brennstoffdüse geführten Brennstoffmenge in einem Verhältnis von 1:40, insbesondere 1:30, regelbar.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Brennstoffdüsenanordnung sowie das Verfahren zur Regulierung der Brennstoffzufuhr näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich
FIG 1
einen Längsschnitt durch eine Brennstoffdüsenanordnung und
FIG 2 bis 4
jeweils einen Querschnitt durch die Brennstoffdüsenanordnung gemäß FIG 1.
In FIG 1 ist eine Brennstoffdüsenanordnung 1 in einem Längsschnitt dargestellt, welche entlang einer Hauptachse 5 gerichtet und weitgehend zu dieser Hauptachse 5 rotationssymmetrisch ist. Die Brennstoffdüsenanordnung 1 hat entlang der Hauptachse 5 vom rechten Zeichnungsrand beginnend eine Brennstoffdüse 3, einen sich daran anschließenden Einströmbereich 2 sowie einen sich weiter anschließenden Rückströmbereich 4. Der Rückströmbereich 4 weist einen kreisringförmigen Ringspalt 6 auf, der sich stromab in einem Verjüngungsbereich (Drallabbaubereich) D1, D2 verjüngt. FIG 1 zeigt zwei unterschiedliche Varianten des Verjüngungsbereiches, nämlich oberhalb der Hauptachse 5 einen Verjüngungsbereich D1, in dem sich in einer kurzen Strecke der Ringspalt 6 verjüngt und unterhalb der Hauptachse 5 einen Verjüngungsbereich D2, in dem sich der Ringspalt 6 über eine längere Strecke hin verjüngt. Der Ringspalt 6 geht kontinuierlich in eine Mehrzahl von Strömungskanälen 11, die als Bohrungen ausgeführt sind, über. Der Ringspalt 6 formt an seiner dem Einströmbereich 2 zugewandten Seite einen metallischen Kern 13 des Rückströmbereichs 4, der zentrisch zu der Hauptachse 5 angeordnet ist. Die Strömungskanäle 11 verlaufen axial zu der Hauptachse 5 und münden in eine zentrisch zur Hauptachse 5 angeordnete Rückströmleitung 7. Diese Rückströmleitung 7 ist ebenfalls als eine Bohrung ausgeführt. Die Strömungskanäle 11 haben einen jeweiligen Mittelpunkt 16, welcher jeweils auf dem Außenumfang 15 der Rückströmleitung 7 angeordnet sind. Stromab der Strömungskanäle 11 ist in der Strömungsleitung 7 ein Regelventil 12 angeordnet.
FIG 2 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Hauptachse 5 durch die Brennstoffdüsenanordnung 1 in dem axialen Überlappungsbereich K der Rückströmleitung 7 mit den Strömungskanälen 11. Die Mittelpunkte 16 der Strömungskanäle 11 liegen auf dem kreisförmigen Außenumfang 15 der Rückströmleitung 7.
FIG 3 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Hauptachse 5 in einem Bereich zwischen dem Überlappungsbereich K und dem Drallabbaubereich D1, D2 mit sechs Strömungskanälen 11 mit kreisförmigem Querschnitt, deren Mittelpunkte 16 auf einem zu der Hauptachse 5 zentrischen Kreis angeordnet sind.
FIG 4 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Hauptachse 5 des Rückströmbereichs 4. Der sich verjüngende Ringspalt 6 hat einen Querschnitt 8, der abwechselnd enge Bereiche 9 und weite Bereiche 10 aufweist. Die weiten Bereiche 10 werden durch die Strömungskanäle 11 gebildet. Der Ringspalt 6 umschließt einen zentrisch zur Hauptachse 5 ausgebildeten Kern 13.
Der in die Brennstoffdüsenanordnung 1 eingespeiste Brennstoff tritt in den Einströmbereich 2 über einen Einströmkanal 17 in tangentialer Richtung ein. Hierdurch bildet sich in dem Einströmbereich 2 eine drallbehaftete Wirbelströmung aus, die rotationssymmetrisch zur Hauptachse 5 ist. Ein Teil dieser Strömung wird gemäß der Strömungspfeile 14 in den Rückströmbereich 4 geführt. Ein anderer Teil strömt in Form eines Wirbels aus der Brennstoffdüse 3 in eine nicht dargestellte Brennkammer aus. Diese wirbelbehaftete Strömung wird durch den Kern 13 stabilisiert, so daß eine gleichmäßige Eindüsung von Brennstoff in die Brennkammer gewährleistet ist. Aufgrund der thermomechanischen stabilen geometrischen Fixierung des Rückströmbereichs 4 ist diese gleichmäßige Eindüsung auch über einen längeren Zeitraum bei hohen thermomechanischen Beanspruchungen gegeben. Der ebenfalls drallbehaftete Anteil der Strömung, welcher in den Ringspalt 6 eintritt, erfährt in dem Verjüngungsbereich D1 bzw. D2 eine Verringerung des Dralls. Hierdurch tritt in dem axialen Überlappungsbereich K eine Strömung des Brennstoffs in die Rückströmleitung 7 ein, welche weitgehend drallfrei ist. Durch das Regelventil 12 ist der Strömungsquerschnitt der Rückströmleitung 7 veränderbar. Je nach eingestelltem Strömungsquerschnitt der Strömungsleitung 7 wird die rückströmende Menge an Brennstoff reguliert. Bei einem konstanten Brennstoffmassenstrom, der in den Einströmbereich 2 eingeführt wird, erfolgt somit durch Einstellung des Strömungsquerschnittes der Rückströmleitung 7 auch automatisch eine Regulierung der durch die Brennstoffdüse 3 eingedüsten Brennstoffmenge. Mit der Brennstoffdüsenanordnung 1 ist das Verhältnis der durch die Rückströmleitung 7 geführten Brennstoffmenge zu der in die Brennstoffdüse 3 eintretenden Brennstoffmenge zwischen 1:30 einstellbar. Dies entspricht den Anforderungen eines Ölbrenners für eine Gasturbine, welche von Leerlaufbetrieb bis zu einem maximalen Leistungsbetrieb zu regeln ist.
Die Erfindung zeichnet sich durch einen besonders robusten und einfach herstellbaren Rückströmbereich einer Brennstoffdüsenanordnung, insbesondere für einen Ölbrenner einer Gasturbine, aus. Der Rückströmbereich hat einen Ringspalt, welcher einen zur Hauptachse der Brennstoffdüsenanordnung zentrischen und rotationssymmetrischen Kern (Zentralkörper) bildet, der zur Stabilisierung der Eindüsströmung der Brennstoffdüse dient. Der Ringspalt verjüngt sich in Richtung einer Rückströmleitung stetig und geht kontinuierlich in Strömungskanäle über. Diese Strömungskanäle sind vorzugsweise axial zur Hauptachse ausgebildet und überlappen axial mit der ebenfalls axial und zentrisch zur Hauptachse verlaufenden Rückströmleitung. Der gesamte Rückströmbereich läßt sich aus einem einzigen Teil durch Drehen und/oder Bohren fertigen. Hierdurch ist bei niedrigen Herstellungskosten und einer einfachen Herstellung eine genau reproduzierbare Geometrie, insbesondere eine zentrische Anordnung, gewährleistet. Der Rückströmbereich ist selbst bei einer pulsierenden Strömung und hohen thermomechanischen Belastungen in seiner geometrischen Lage stabil fixiert. Ein Abreißen oder Herausfallen größerer und kleinerer Teile mit einer Beeinträchtigung der Strömung in der Brennstoffdüse ist sicher vermieden.

Claims (12)

  1. Brennstoffdüsenanordnung (1) für einen Fluidbrennstoffbrenner mit einer Hauptachse (5) und einem Rückströmbereich (4), einem Einströmbereich (2) und einer Brennstoffdüse (3), wobei der Einströmbereich (2) entlang der Hauptachse (5) zwischen der Brennstoffdüse (3) und dem Rückströmbereich (4) angeordnet ist, in dem Einströmbereich (2) eine Drallströmung von Brennstoff erzeugbar ist und der Rückströmbereich (4) einen an den Einströmbereich (2) angrenzenden Ringspalt (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt sich in Richtung weg von dem Einströmbereich (2) verjüngt und in eine Rückströmleitung (7) übergeht.
  2. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach Anspruch 1, bei der der Ringspalt (6) weitgehend kreisringförmig und zur Hauptachse (5) symmetrisch ist.
  3. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Ringspalt (6) einen Querschnitt (8) mit abwechselnd engen Bereichen (9) und weiten Bereichen (10) hat.
  4. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der der Ringspalt (6) kontinuierlich in eine Mehrzahl von Strömungskanälen (11) übergeht, die in die zumindest eine Rückströmleitung (7) übergehen.
  5. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach Anspruch 4, bei der die Strömungskanäle (11) Bohrungen sind, die insbesondere axial zur Hauptachse (5) verlaufen.
  6. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Strömungskanäle (11) symmetrisch zur Hauptachse (5) angeordnet sind.
  7. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der drei bis sechs Strömungskanäle (11) vorgesehen sind.
  8. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Strömungskanäle (11) axial mit der Rückströmleitung (7) überlappen.
  9. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest der Rückströmbereich (4) durch Drehen und/oder Bohren hergestellt ist.
  10. Brennstoffdüsenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest der Rückströmbereich (4) einteilig hergestellt ist.
  11. Verwendung einer Brennstoffdüsenanordnung (1) mit einer Hauptachse (5), einem Rückströmbereich (4), einer Brennstoffdüse (3)und einem Einströmbereich (2), welcher entlang der Hauptachse (5) zwischen der Brennstoffdüse (3) und dem Rückströmbereich (4) angeordnet ist, wobei in dem Einströmbereich (2) eine Drallströmung von Brennstoff erzeugbar ist und der Rückströmbereich (4) einen an den Einströmbereich (2) angrenzenden Ringspalt (6) aufweist, welcher sich in Richtung weg von dem Einströmbereich (2) verjüngt und in eine Rückströmleitung (7) übergeht, in einem Ölbrenner, insbesondere für eine Gasturbine.
  12. Verfahren zur Regulierung der Brennstoffzufuhr eines Fluidbrennstoffbrenners bei dem eine konstante Brennstoffmenge eingespeist wird in eine Brennstoffdüsenanordnung (1) mit einer Hauptachse (5) und einem Rückströmbereich (4), einer Brennstoffdüse (3) und einem Einströmbereich (2), welcher entlang der Hauptachse (5) zwischen der Brennstoffdüse (3) und dem Rückströmbereich (4) angeordnet ist, wobei in dem Einströmbereich (2) eine Drallströmung von Brennstoff erzeugbar ist und der Rückströmbereich (4) einen an den Einströmbereich (2) angrenzenden Ringspalt (16) aufweist, welcher sich in Richtung weg von dem Einströmbereich (2) verjüngt und in eine Rückströmleitung (7) übergeht und wobei durch ein in der Rückströmleitung (7) vorgesehenes Regelventil (12) die rückströmende Brennstoffmenge und dadurch die durch die BrennStoffdüse (3) strömende Brennstoffmenge geregelt wird.
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