EP0892212A2 - Druckzerstäuberdüse - Google Patents

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EP0892212A2
EP0892212A2 EP98810650A EP98810650A EP0892212A2 EP 0892212 A2 EP0892212 A2 EP 0892212A2 EP 98810650 A EP98810650 A EP 98810650A EP 98810650 A EP98810650 A EP 98810650A EP 0892212 A2 EP0892212 A2 EP 0892212A2
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EP
European Patent Office
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nozzle
bore
liquid
outlet bore
nozzle outlet
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Granted
Application number
EP98810650A
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English (en)
French (fr)
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EP0892212B1 (de
EP0892212A3 (de
Inventor
Klaus Dr. Döbbeling
Christian Dr. Steinbach
Martin Dr. Valk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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Publication date
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Publication of EP0892212A3 publication Critical patent/EP0892212A3/de
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    • 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
    • B05B1/3478—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 the liquid flowing at least two different courses before reaching the swirl chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • 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
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    • 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
    • B05B1/3431—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 being formed at the interface of cooperating elements, e.g. by means of grooves
    • B05B1/3442—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 being formed at the interface of cooperating elements, e.g. by means of grooves the interface being a cone having the same axis as the outlet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/04—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge
    • B05B7/0408—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing two or more liquids
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    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/10—Spray pistols; Apparatus for discharge producing a swirling discharge
    • 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
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F23D11/383—Nozzles; Cleaning devices therefor with swirl means

Definitions

  • the invention relates to the field of combustion technology. It affects a pressure atomizing nozzle, comprising a nozzle body with a mixing chamber, which is connected to an outside space via a nozzle bore.
  • the nozzle body has a first feed channel for a liquid to be atomized through which said liquid is under pressure and swirl-free Chamber can be fed. At least one opens into the chamber of the nozzle body another supply channel for part of the liquid to be atomized or for one second liquid to be atomized, through which said part of the liquid or the second liquid can be supplied under pressure and with swirl.
  • Such Nozzle is known for example from DE 196 08 349.4.
  • Atomizer burners are known in which the oil that is burned mechanically finely distributed. It is divided into fine droplets of approx. 10 to 400 ⁇ m Disassembled diameter (oil mist), which is mixed with the combustion air in evaporate and burn the flame.
  • pressure atomizers see Lueger - Lexicon of technology, Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965, volume 7, p.600
  • the oil is supplied to an atomizing nozzle under high pressure by an oil pump.
  • the oil gets into a through essentially tangential slots Swirl chamber and leaves the nozzle through a nozzle bore. This ensures that the oil particles have two motion components, one axial and one radial, preserved.
  • the one emerging from the nozzle bore as a rotating hollow cylinder Oil film expands to a hollow cone due to centrifugal force Edges 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 up to approx. 100 bar are hardly suitable because they do not allow small spreading angle, the atomization quality is restricted and the impulse of the drop spray is low.
  • swirl-stabilized burners e.g. double-cone type burners
  • the flame stabilization is achieved
  • the fuel is atomized into the flow, which is what easiest to do with a pressure atomizing nozzle.
  • droplets exposed to a swirl flow field can cause one The droplets are thrown out due to the centrifugal forces (cyclone effect). Wetting the swirl generator or the mixing tube walls would have Consequence that the mixture deteriorates and that there is a risk of flashback along the walls and the appearance of deposits due to Fuel decomposition occurs.
  • An improvement is with the high pressure atomizing nozzle known from EP 0 496 016 B1 to reach.
  • This consists of a nozzle body in which a turbulence chamber is formed which has at least one nozzle bore communicates with an outside space, and which have at least one Has supply channel for the liquid to be atomized under pressure. It is characterized in that the cross-sectional area of the turbulence chamber mouth is larger by a factor of 2 to 10 than that Cross-sectional area of the nozzle bore.
  • the aim is to if possible over the entire load range of the gas turbine (approx. 10% to 120% Mass flow of fuel based on nominal load conditions) a drop spray generate a stable, low-emission combustion throughout the area in a given air flow field.
  • the invention tries to avoid all of these disadvantages.
  • a Methods for effective operation of this pressure atomizing nozzle are proposed become.
  • a pressure atomizing nozzle comprising a Nozzle body, in which a mixing chamber is formed, which has a Nozzle outlet bore communicates with an outside space and a first one Feed channel with a feed hole for a liquid to be atomized , through which said liquid can be supplied swirl-free and under pressure, wherein in the chamber at least one additional supply channel for part of the atomizing liquid or for a second liquid to be atomized, through which said part of the liquid or the second liquid under Pressure and swirl can be fed, the feed bore of the first feed channel lies on one axis with the nozzle outlet bore, thereby achieved that the outlet-side diameter of the nozzle outlet bore is at most so is as large as the diameter of the feed bore and the length of the nozzle outlet bore at least 2 to a maximum of 10 times the outlet side Diameter of the nozzle outlet bore.
  • the advantages of the invention include that it enables the possibility is given, the spray angle of the nozzle to an extremely small angle, i.e. up to a full jet without reducing disturbing turbulence. So that will the peculiarities of the swirl flow field of a swirl-stabilized burner Taken into account. On the other hand, the operation of a conventional one atomizing pressure atomizer nozzle can be maintained. Between these Extreme is a sliding control, the setting of all operating conditions, i.e. Spray angles and degrees of atomization possible.
  • the pressure atomizer nozzle has an outlet side Has diameter of the nozzle outlet bore, which is smaller than that Diameter of the feed hole, in particular it should be approximately 0.7 times the Diameter of the feed hole. This will make a bigger part of the total pressure drop across the outlet opening, resulting in a high Stability of the full jet leads.
  • an embodiment variant is advantageous in which the nozzle outlet bore is arranged in the cover of a first tube, in which a second tube smaller outer diameter is used, up to the said lid is sufficient, and at least one slot in the cover-side end of the second tube is provided, which is made tangential and forms a swirl channel and which is the annulus between the first and second tubes with the chamber connects, from which the nozzle outlet bore leads into the outside space, the chamber being essentially through the lid, the inner walls of the second Pipe and a filler in the second pipe is limited, and the feed hole arranged in the filler on the same axis as the nozzle outlet bore is.
  • This nozzle is characterized by a simple design.
  • a pressure atomizing nozzle according to the invention is advantageously used, whose nozzle outlet bore is constant over its entire length Has cross-sectional area. This is very easy to manufacture.
  • the nozzle outlet bore over their entire length in the direction of flow has a continuously decreasing cross-sectional area, so due to the converging Partly advantageous in the swirl stage, a uniform acceleration of the liquid to be atomized.
  • the friction losses are less than in an embodiment in which a nozzle with a constant cross section of the Nozzle outlet bore is provided.
  • the pressure atomizing nozzle according to the invention has a Nozzle outlet bore, which has an inlet radius at its inlet end has at least as large as the radius of the mixing chamber. This prevents the flow from detaching at the inlet into the outlet bore and thereby loss of flow or at high speeds possible cavitation prevented.
  • FIGS. 1 to 3 show a first embodiment of the invention, with Fig. 1 the Pressure atomizer nozzle in a partial longitudinal section and FIGS. 2 and 3 two Show 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. According to the invention, the length of the nozzle outlet bore is at least 2 to a maximum of 10 times the diameter on the outlet side of the nozzle outlet bore.
  • 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 lies 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 located at the same height as the upper edge of the slots 38, but it can also be spaced from the upper edge of the slots 38 in another embodiment variant, not shown.
  • the feed bore 41 lies with the nozzle outlet bore 33 on the same axis 34.
  • the feed bore 41 has a constant diameter d z over its entire length L. This diameter d z is dimensioned somewhat larger than the diameter d a of the nozzle outlet bore 33.
  • the ratio of d a to d z should preferably be about 0.7. Then a good stability of the full jet is achieved when the nozzle is operated in the full jet stage, because a larger part of the total pressure drop occurs via the nozzle outlet bore.
  • the ratio of length L to the outlet-side diameter d a of the nozzle outlet bore 33 is also of particular importance for the function of the nozzle. According to the invention, it is in a range from 2 to 10. If the length-to-diameter ratio is too high, the twist becomes degraded too much from the swirl stage and the atomization in the pressure atomizer operation is insufficient. If the ratio of the length to the diameter of the nozzle outlet bore 33 is too small, on the other hand, the full jet has too great a divergence, which can lead to undesired ejection of drops.
  • the pressure atomizing nozzle according to the invention thus has two stages - one Full jet stage (see Fig. 2) and a pressure swirl stage (see Fig. 3), depending on the requirements can be operated either together or individually.
  • the pressure atomizing nozzle also be provided with more or fewer slots 38.
  • slots 38 There is also one other distribution of the channels over the circumference possible.
  • Other swirl generators, for example blades, can also be arranged in the channel 36 be that ensure that the liquid to be atomized comes out of the channel 36 swirls into the chamber 39 enters.
  • FIG. 4 shows in a partial longitudinal section a second exemplary embodiment of an inventive one two-stage pressure atomizer nozzle with full jet stage and swirl stage.
  • the structure of the nozzle differs from the embodiment described above only in that the nozzle outlet bore 33 does not have a constant Has diameter, but that the diameter seen in the direction of flow over the entire length L of the nozzle outlet bore to the actual one Exit steadily decreases.
  • This has compared to the first embodiment the additional advantages that a smooth acceleration of the liquid flow in the nozzle that occurs the friction losses in the swirl stage be reduced so that no turbulence occurs in the full jet stage or possibly existing ones are broken down and that the atomization of the liquid is suppressed becomes.
  • FIG. 5 shows in a partial longitudinal section a third exemplary embodiment of a two-stage pressure atomizer nozzle according to the invention with a full jet stage and a swirl stage.
  • the structure of the nozzle differs from the first exemplary embodiment described above only in that here too the nozzle outlet bore 33 has no constant diameter.
  • the nozzle outlet bore has an inlet radius R e which should be approximately as large as the radius R k of the chamber 39.
  • R e which should be approximately as large as the radius R k of the chamber 39.
  • the nozzle according to the invention can be swirl-stabilized, for example Gas turbine or boiler burners, e.g. a burner of the double cone type, installed and to the requirements of the respective burner flow field or Operating conditions of the gas turbine combustion chamber or the boiler adjusted if necessary, also during operation.
  • the nozzle is operated via the pressure swirl stage, by the liquid 37, in this case fuel, via the feed channel 36 and the swirl channel 38 (or via a swirl generator arranged in the channel 36) below high pressure and swirl enters the chamber 39 and through the nozzle outlet bore 33 is injected into the combustion chamber as a finely atomized drop.
  • the rotating movement causes a hollow cone flow at the nozzle bore 33 generated.
  • Both stages can be operated simultaneously, then takes place in the chamber 39 a mixture of the two fuel flows instead.
  • the nozzle can also be in only one Stage operated. As extremely small as possible at full load and overload Spray angle should be set, for example, only the full jet level used, and the fuel mass flow flowing through the swirl channels 38 is completely switched off. It is also possible, depending on the load range different liquids, e.g. Water and oil, through channels 36, 38 and 42, 41 to feed the chamber 39 and atomize after their mixing.
  • liquids e.g. Water and oil

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nozzles For Spraying Of Liquid Fuel (AREA)
  • Nozzles (AREA)
  • Pressure-Spray And Ultrasonic-Wave- Spray Burners (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Druckzerstäuberdüse mit einem Düsenkörper (30) mit Mischkammer (39), welche über eine Düsenaustrittsbohrung (33) mit einem Aussenraum in Verbindung steht und mit einem ersten Zufuhrkanal (42) mit einer Zuführungbohrung (41) für eine zu zerstäubende Flüssigkeit (37), durch welche besagte Flüssigkeit (37) drallfrei und unter Druck zuführbar ist, wobei in die Kammer (39) mindestens ein weiterer Zufuhrkanal (36) für einen Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit (37) oder für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit (37') mündet, durch welchen besagte Flüssigkeit (37, 37') unter Druck und mit Drall zuführbar ist. Die Zuführungsbohrung (41) des ersten Zufuhrkanales (42) liegt mit der Düsenaustrittsbohrung (33) auf einer Achse (34). Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der austrittsseitige Durchmesser (da) der Düsenaustrittsbohrung (33) höchstens so gross ist wie der Durchmesser (dz) der Zuführungsbohrung (41) und die Länge (L) der Düsenaustrittsbohrung (33) mindestens das 2- bis maximal 10-fache des austrittsseitigen Durchmessers (da) der Düsenaustrittsbohrung (33) beträgt. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Druckzerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper mit einer Mischkammer, welche über eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht. Der Düsenkörper weist einen ersten Zufuhrkanal für eine zu zerstäubende Flüssigkeit auf, durch welchen besagte Flüssigkeit unter Druck und drallfrei dieser Kammer zuführbar ist. In die Kammer des Düsenkörpers mündet mindestens ein weiterer Zufuhrkanal für einen Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit oder für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit oder die zweite Flüssigkeit unter Druck und mit Drall zuführbar ist. Eine derartige Düse ist beispielsweise aus DE 196 08 349.4 bekannt.
Stand der Technik
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 Drallkammer 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.
Bei der schadstoffarmen Verbrennung von mineralischen Brennstoffen in modernen Brennern, beispielsweise in Vormischbrennem 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.
    • 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.
    Bei drallstabilisierten Brennern (z.B. Brenner der Doppelkegelbauart), bei denen mit Hilfe einer Drallströmung die Flammenstabilisierung erzielt wird, bietet sich der Bereich zwischen dem Drallerzeuger und dem Rezirkulationsgebiet, das durch Aufplatzen der Drallströmung entsteht, für eine Einmischung und Verdampfung des flüssigen Brennstoffes an. Zur Erzielung einer guten Vorverdampfung sollte der Brennstoff fein zerstäubt in die Strömung eingebracht werden, was sich am einfachsten mit einer Druckzerstäuberdüse bewerkstelligen lässt. Werden die feinen Tröpfchen jedoch einem Drallströmungsfeld ausgesetzt, so kann dies zu einem Ausschleudern der Tropfen auf Grund der Zentrifugalkräfte führen (Zyklonwirkung). Eine Benetzung des Drallerzeugers bzw. der Mischrohrwände hätte zur Folge, das die Mischung verschlechtert wird und dass die Gefahr von Flammenrückschlag entlang der Wände und Auftreten von Ablagerungen auf Grund von Brennstoffzersetzung eintritt.
    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.
    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 klein.
    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.
    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.
    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.
    Dieser Nachteil wird mit der bereits erwähnten zweistufigen Druckzerstäuberdüse nach DE 196 08 349.4 beseitigt. Diese wird bei Voll- und Überlastbetrieb über eine drallfreie Turbulenzerzeugerhauptstufe und bei Teil- und Niedriglastbetrieb zusätzlich oder aber allein über eine Druckdrallstufe betrieben. Diese Lösung hat aber den Nachteil, dass infolge der hohen Turbulenz im Strahl der Turbulenzerzeugerhauptstufe keine sehr engen Spraywinkel (< 15°) möglich sind. Für bestimmte Anwendungsfälle, bei welchen die Brennerluft stark verdrallt ist, sind aber sehr enge Brennstoffstrahlwinkel zum Vermeiden von Wandauftragung erforderlich. Prinzipiell sind hierzu Strahldüsen, sogenannte Plain Jets, geeignet. Diese erzeugen aber eine zur Zündung des Brenners nur schlecht geeignete Zerstäubung.
    Darstellung der Erfindung
    Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckzerstäuberdüse der o.g. Art zu entwickeln, die eine einfache Bauweise aufweist und einen an die jeweiligen Betriebsbedingungen genau angepassten Spraywinkel bzw. Zerstäubungsgrad der zu zerstäubenden Flüssigkeit bzw. Flüssigkeiten ermöglicht. Dabei sollen vor allem auch extrem kleine Sprühwinkel realisiert werden, wobei die Zerstäubung unterdrückt wird und es nur zu einer verzögerten Auflösung des Flüssigkeitsstromes kommt. Ausserdem soll ein Verfahren zum effektiven Betrieb dieser Druckzerstäuberdüse vorgeschlagen werden.
    Erfindungsgemäss wird dies bei einer Druckzerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper, in welchem eine Mischkammer ausgebildet ist, welche über eine Düsenaustrittsbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht und einen ersten Zufuhrkanal mit einer Zuführungbohrung für eine zu zerstäubende Flüssigkeit aufweist, durch welche besagte Flüssigkeit drallfrei und unter Druck zuführbar ist, wobei in die Kammer mindestens ein weiterer Zufuhrkanal für einen Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit oder für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit mündet, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit oder die zweite Flüssigkeit unter Druck und mit Drall zuführbar ist, wobei die Zuführungsbohrung des ersten Zufuhrkanales mit der Düsenaustrittsbohrung auf einer Achse liegt, dadurch erreicht, dass der austrittsseitige Durchmesser der Düsenaustrittsbohrung höchstens so gross ist wie der Durchmesser der Zuführungsbohrung und die Länge der Düsenaustrittsbohrung mindestens das 2- bis maximal 10-fache des austrittsseitigen Durchmessers der Düsenaustrittsbohrung beträgt.
    Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, dass damit die Möglichkeit gegeben ist, den Sprühwinkel der Düse bis auf einen extrem kleinen Winkel, d.h. bis zu einem Vollstrahl ohne störende Turbulenzen zu reduzieren. Damit wird den Besonderheiten des Drallströmungsfeldes eines drallstabilisierten Brenners Rechnung getragen. Andererseits kann die Betriebsweise einer herkömmlichen feinzerstäubenden Druckzerstäuberdüse beibehalten werden. Zwischen diesen Extremen ist durch einen gleitende Regelung die Einstellung aller Betriebszustände, d.h. Sprühwinkel und Zerstäubungsgrade möglich. Durch Einhaltung des o.g. Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der Düsenaustrittsbohrung wird erreicht, dass einerseits der Drall aus der Drallstufe nicht zu stark abgebaut wird und damit die Zerstäubung im Druckzerstäuberbetrieb ausreichend ist und andererseits die Divergenz des Vollstrahles klein genug ist, damit es nicht zu einem unerwünschten Ausschleudern von Tropfen kommen kann.
    Es ist besonders zweckmässig, wenn die Druckzerstäuberdüse einen austrittsseitigen Durchmesser der Düsenaustrittsbohrung aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der Zuführungsbohrung, insbesondere soll er ca. das 0,7-fache des Durchmessers der Zuführungsbohrung betragen. Dadurch wird ein grösserer Teil des gesamten Druckabfalls über die Austrittsöffnung erreicht, was zu einer hohen Stabilität des Vollstrahles führt.
    Ferner ist eine Ausführungsvariante vorteilhaft, bei welcher die Düsenaustrittsbohrung im Deckel eines ersten Rohres angeordnet ist, in welchem ein zweites Rohr kleineren Aussendurchmessers eingesetzt ist, das bis zu dem besagten Deckel reicht, und im deckelseitigen Ende des zweiten Rohres mindestens ein Schlitz vorgesehen ist, welcher tangential angestellt ist und einen Drallkanal bildet und welcher den Ringraum zwischen den ersten und dem zweiten Rohr mit der Kammer verbindet, von welcher die Düsenaustrittsbohrung in den Aussenraum führt, wobei die Kammer im wesentlichen durch den Deckel, die Innenwände des zweiten Rohres und ein Füllstück im zweiten Rohr begrenzt ist, und die Zuführungsbohrung im Füllstück auf der gleichen Achse wie die Düsenaustrittsbohrung angeordnet ist. Diese Düse zeichnet sich durch eine einfache Bauweise aus.
    Schliesslich wird mit Vorteil eine erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse verwendet, deren Düsenaustrittsbohrung über ihre Gesamtlänge eine konstante Querschnittsfläche aufweist. Diese ist sehr einfach herstellbar.
    Wird dagegen eine erfindungsgemässe zweistufige Druckzerstäuberdüse verwendet, deren Düsenaustrittsbohrung über ihre Gesamtlänge eine in Strömungsrichtung stetig abnehmende Querschnittsfläche aufweist, so wird infolge des konvergierenden Teiles vorteilhaft in der Drallstufe eine gleichmässige Beschleunigung der zu zerstäubenden Flüssigkeit erreicht. Die Reibungsverluste sind geringer als bei einer Ausführungsvariante, bei der eine Düse mit konstantem Querschnitt der Düsenaustrittsbohrung vorgesehen ist. Mit dieser Geometrie wird bei Betrieb in der Vollstrahlstufe die Zerstäubung unterdrückt, und es kommt zu einer verzögerten Auflösung des Flüssigkeitsstromes.
    Ferner ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse eine Düsenaustrittsbohrung hat, welche an ihrem einlaufseitigen Ende einen Einlaufradius aufweist, der mindestens so gross ist wie der Radius der Mischkammer. Hierdurch wird ein Ablösen der Strömung am Eintritt in die Austrittsbohrung verhindert und dadurch werden Strömungsverluste bzw. bei hohen Geschwindigkeiten mögliche Kavitation verhindert.
    Kurze Beschreibung der Zeichnung
    In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
    Es zeigen:
    Fig. 1
    einen Teillängsschnitt einer erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe in einer ersten Ausführungsvariante;
    Fig. 2
    einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1 im Bereich der Vollstrahlstufe 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 erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe in einer zweiten Ausführungsvariante;
    Fig. 5
    einen Teillängsschnitt einer erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe in einer dritten Ausführungsvariante.
    Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise Regelorgane, mit denen die Grösse des durch die einzelnen Stufen der Düse strömende Flüssigkeitsstromes beeinflusst werden kann. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
    Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.
    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.
    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. Erfindungsgemäss beträgt die Länge der Düsenaustrittsbohrung mindestens das 2- bis maximal 10-fache des austrittsseitigen Durchmessers der Düsenaustrittsbohrung. 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 befindet sich auf gleicher Höhe wie die Oberkante der Schlitze 38, es kann aber bei einer anderen nicht dargestellten Ausführungsvariante auch von der Oberkante der Schlitze 38 beabstandet sein. Im Füllstück 40 ist eine Zuführungsbohrung 41 für die zu zerstäubende Flüssigkeit 37 bzw. für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit angeordnet, die eine drallfreie Zuströmung der Flüssigkeit vom Zufuhrkanal 42 in die Kammer 39 ermöglichen. Die Zuführungsbohrung 41 liegt mit der Düsenaustrittsbohrung 33 auf der gleiche Achse 34. Die Zuführungsbohrung 41 weist in diesem ersten Ausführungsbeispiel über ihre gesamte Länge L einen konstanten Durchmesser dz auf. Dieser Durchmesser dz ist im Vergleich zum Durchmesser da der Düsenaustrittsbohrung 33 etwas grösser bemessen. Vorzugsweise sollte das Verhältnis von da zu dz etwa 0,7 betragen. Dann wird beim Betrieb der Düse in der Vollstrahlstufe eine gute Stabilität des Vollstrahles erreicht, weil ein grösserer Teil des gesamten Druckabfalls über die Düsenaustrittsbohrung auftritt. Von besonderer Bedeutung für die Funktion der Düse ist auch das Verhältnis von Länge L zum austrittsseitigen Durchmesser da der Düsenaustrittsbohrung 33. Es liegt erfindungsgemäss in einem Bereich von 2 bis 10. Ist nämlich das Längen- zu Durchmesser-Verhältnis zu hoch, wird der Drall aus der Drallstufe zu stark abgebaut und die Zerstäubung im Druckzerstäuberbetrieb ist unzureichend. Bei zu kleinem Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düsenaustrittsbohrung 33 weist dagegen der Vollstrahl eine zu grosse Divergenz auf, was zu einem unerwünschten Ausschleudern von Tropfen führen kann.
    Die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse weist somit zwei Stufen auf - eine Vollstrahlstufe (s. Fig. 2) und eine Druckdrallstufe (s. Fig. 3), die je nach Erfordernissen entweder gemeinsam oder auch einzeln betrieben werden können .
    Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Druckzerstäuberdüse auch mit mehr oder weniger Schlitzen 38 versehen sein. Ebenso ist auch eine andere Verteilung der Kanäle über den Umfang möglich. Anstelle der Schlitze 38 können auch andere Drallerzeuger, beispielsweise Schaufeln, im Kanal 36 angeordnet sein, die dafür sorgen, dass die zu zerstäubende Flüssigkeit aus dem Kanal 36 verdrallt in die Kammer 39 eintritt.
    Fig. 4 zeigt in einem Teillängsschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen zweistufigen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe. Der Aufbau der Düse unterscheidet sich vom oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die Düsenaustrittsbohrung 33 keinen konstanten Durchmesser aufweist, sondern dass der Durchmesser in Strömungsrichtung gesehen über die gesamte Länge L der Düsenaustrittsbohrung bis zum eigentlichen Austritt hin stetig abnimmt. Das hat gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel die zusätzlichen Vorteile, dass eine gleichmässige Beschleunigung des Flüssigkeitsstromes in der Düse stattfindet, dass die Reibungsverluste in der Drallstufe vermindert werden, dass in der Vollstrahlstufe keine Turbulenzen auftreten bzw. ev. vorhandene abgebaut werden und dass die Zerstäubung der Flüssigkeit unterdrückt wird.
    Fig. 5 zeigt in einem Teillängsschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen zweistufigen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe. Der Aufbau der Düse unterscheidet sich vom oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass auch hier die Düsenaustrittsbohrung 33 keinen konstanten Durchmesser aufweist. In diesem dritten Ausführungsbeispiel hat die Düsenaustrittsbohrung einen Einlaufradius Re, der etwa so gross sein sollte wie der Radius Rk der Kammer 39. Auch hier entstehen weniger Reibungsverluste.
    Die erfindungsgemässe Düse kann beispielsweise in einen drallstabilisierten Gasturbinen- oder Kesselbrenner, z.B. einen Brenner der Doppelkegelbauart, eingebaut und an die Erfordernisse des jeweiligen Brennerströmungsfeldes bzw. an Betriebszustände der Gasturbinenbrennkammer oder des Kessels angepasst werden, falls erforderlich, auch während des Betriebes. Beim Zünden und im Teillastbetrieb wird beispielsweise die Düse über die Druckdrallstufe betrieben, indem die Flüssigkeit 37, in diesem Falle Brennstoff, über den Zufuhrkanal 36 und den Drallkanal 38 (oder über einen im Kanal 36 angeordneten Drallerzeuger) unter hohem Druck und verdrallt in die Kammer 39 gelangt und über die Düsenaustrittsbohrung 33 in den Brennraum als fein zerstäubte Tropfen eingedüst wird. Durch die rotierende Bewegung wird an der Düsenbohrung 33 eine Hohlkegelströmung erzeugt. Mit zunehmender Gesamtbrennstoffmenge und daher mit zunehmender Gefahr des Ausschleuderns von Tropfen wird dann auf die Vollstrahldüse übergegangen, indem der Brennstoff über den Kanal 42 und die Zuführungsbohrung 41, welche mit der Düsenaustrittsbohrung 33 auf einer Achse liegt, unverdrallt in die Kammer 39 eingebracht wird, von wo aus der Brennstoff dann über die Düsenaustrittsbohrung 33 als Vollstrahl in den Brennraum eintritt. Der Spraywinkel der Vollstrahldüse ist extrem niedrig, er liegt bei < 5°.
    Es können beide Stufen gleichzeitig betrieben werden, dann findet in der Kammer 39 eine Mischung der beiden Brennstoffströme statt.
    Je nach Betriebsbedingungen der Gasturbine kann die Düse auch in nur einer Stufe betrieben werden. Da bei Vollast und Überlast möglichst extrem kleine Sprühwinkel eingestellt werden sollten, wird dann beispielsweise nur die Vollstrahlstufe benutzt, und der durch die Drallkanäle 38 strömende Brennstoffmassenstrom wird vollständig abgeschaltet. Ausserdem ist es möglich, je nach Lastbereich verschiedene Flüssigkeiten, z.B. Wasser und Öl, über die Kanäle 36, 38 und 42, 41 der Kammer 39 zuzuführen und nach ihrer Mischung zu zerstäuben.
    Bezugszeichenliste
    30
    Düsenkörper
    31
    erstes Rohr
    32
    Deckel von Pos. 31
    33
    Düsenaustrittsbohrung
    34
    Längsachse der Düse
    35
    zweites Rohr
    36
    Ringraum zwischen Pos. 31 und 35
    37
    zu zerstäubende Flüssigkeit
    37'
    zweite zu zerstäubende Flüssigkeit
    38
    tangential angestellter Schlitz
    39
    Drallkammer
    40
    Füllstück
    41
    Zuführungbohrung
    42
    Zufuhrkanal
    L
    Länge von Pos. 33
    da
    Durchmesser von Pos. 33
    dz
    Durchmesser von Pos. 41
    Re
    Einlaufradius von Pos. 33
    Rk
    Radius von Pos. 39

    Claims (10)

    1. Druckzerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper (30), in welchem eine Mischkammer (39) ausgebildet ist, welche über eine Düsenaustrittsbohrung (33) mit einem Aussenraum in Verbindung steht und einen ersten Zufuhrkanal (42) mit einer Zuführung bohrung (41) für eine zu zerstäubende Flüssigkeit (37) aufweist, durch welche besagte Flüssigkeit (37) drallfrei und unter Druck zuführbar ist, wobei in die Kammer (39) mindestens ein weiterer Zufuhrkanal (36) für einen Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit (37) oder für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit (37') mündet, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit (37) oder die zweite Flüssigkeit (37') unter Druck und mit Drall zuführbar ist, wobei die Zuführungsbohrung (41) des ersten Zufuhrkanales (42) mit der Düsenaustrittsbohrung (33) auf einer Achse (34) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass
      a) der austrittsseitige Durchmesser (da) der Düsenaustrittsbohrung (33) höchstens so gross ist wie der Durchmesser (dz) der Zuführungsbohrung (41) und
      b) die Länge (L) der Düsenaustrittsbohrung (33) mindestens das 2- bis maximal 10-fache des austrittsseitigen Durchmessers (da) der Düsenaustrittsbohrung (33) beträgt.
    2. Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der austrittsseitige Durchmesser (da) der Düsenaustrittsbohrung (33) ca. das 0,7-fache des Durchmessers (dz) der Zuführungsbohrung (41) beträgt.
    3. Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsbohrung (33) im Deckel (32) eines ersten Rohres (31) angeordnet ist, in welchem ein zweites Rohr (35) kleineren Aussendurchmessers eingesetzt ist, das bis zu dem besagten Deckel (32) reicht, und im deckelseitigen Ende des zweiten Rohres (35) mindestens ein Schlitz (38) vorgesehen ist, welcher tangential angestellt ist und einen Drallkanal bildet und welcher den Ringraum (36) zwischen den ersten (31) und dem zweiten Rohr (35) mit der Kammer (39) verbindet, von welcher die Düsenaustrittsbohrung (33) in den Aussenraum führt, wobei die Kammer (39) im wesentlichen durch den Deckel (32), die Innenwände des zweiten Rohres (35) und ein Füllstück (40) im zweiten Rohr (35) begrenzt ist, und die Zuführungsbohrung (41) im Füllstück (40) auf der gleichen Achse (34) wie die Düsenaustrittsbohrung (33) angeordnet ist.
    4. Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsbohrung (33) über ihre Gesamtlänge (L) eine konstante Querschnittsfläche aufweist.
    5. Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsbohrung (33) über ihre Gesamtlänge (L) eine in Strömungsrichtung stetig abnehmende Querschnittsfläche aufweist.
    6. Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsbohrung (33) an ihrem einlaufseitigen Ende einen Einlaufradius (Ra) aufweist, welcher mindestens so gross ist wie der Radius (Rk) der Kammer (39).
    7. Verfahren zum Betrieb einer Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem drallstabilisierten Brenner, wobei beim Zünden und im Teillastbetrieb die Düse über eine Druckdrallstufe betrieben wird, indem ein Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit (37) oder ein Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit (37') über den Zufuhrkanal (38) verdrallt der Kammer (39) zugeführt und dort eine stark verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die Düsenaustrittsbohrung (33) in den Aussenraum gelangt, wobei der Anteil der über die Drallstufe zugeführten Flüssigkeit (37, 37') mit zunehmenden Gesamtflüssigkeitsmassenstrom verringert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse bei Voll- und Überlastbetrieb über eine Vollstrahlstufe betrieben wird, indem die Flüssigkeit (37) über die Zuführungsbohrung (41) der Kammer (39) zugeführt wird und von dort aus durch die Düsenaustrittsbohrung (33) als Vollstrahl in den Aussenraum gelangt.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen beiden Stufen gleitend umgeschalten wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stufen gleichzeitig und im Durchsatz variierbar betrieben werden.
    10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der beiden Stufen betrieben wird.
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