EP0924460A1

EP0924460A1 - Zweistufige Druckzerstäuberdüse

Info

Publication number: EP0924460A1
Application number: EP97811007A
Authority: EP
Inventors: Peter Dr. Jansohn; Christian Dr. Steinbach
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2017-12-22
Also published as: EP0924460B1; DE59709924D1

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine relativ einfache und kostengünstige zweistufige Druckzerstäuberdüse für zumindest eine zu zerstäubende Flüssigkeit zu schaffen, mit welcher eine verbesserte Flüssigkeitsverteilung im Aussenraum der Druckzerstäuberdüse, insbesondere eine bessere Brennstoffverteilung in einem Vormischbrenner, erzielt werden kann. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in der Turbulenz- und/oder Drallkammer (8) ein separater, letztere in zumindest zwei Teilkammern (15) unterteilender Umlenkkörper (16) zentral angeordnet ist, jede Teilkammer (15) über zumindest einen Turbulenzerzeugerkanal (10, 18) mit dem ersten Zuführkanal (6), über zumindest einen Drallkanal (11) mit dem zweiten Zuführkanal (7) und über eine Austrittsöffnung (13) mit dem Aussenraum (5) verbunden ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Druckzerstäuberdüse gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welche beispielsweise in den Vormischbrennern einer Gasturbinenanlage zum Einsatz kommt.

Stand der Technik

Mit den wachsenden Betriebsdrücken moderner Gasturbinen wird eine gute Verteilung des Flüssigbrennstoffs mehr und mehr zum Problem. Die Gründe dafür liegen hauptsächlich in der ansteigenden Luftdichte und in deren Impuls, die einen grösseren Einfluss auf Verteilung der Brennstofftröpfchen besitzen.

Die EP 0 794 383 A2 weist eine zweistufige Druckzerstäuberdüse auf, welche eine Anpassung des Tropfensprays hinsichtlich der Zerstäubungsgüte, der Tropfengrösse und des Spraywinkels an die jeweiligen Lastbedingungen ermöglicht. Weiterhin zeichnet sich die Düse durch eine einfache, nur wenig Platz benötigende Bauart aus. Dazu umfasst sie einen Düsenkörper mit einer im Inneren ausgebildeten und über eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung stehenden Turbulenz- und/oder Drallkammer. Zudem besitzt die Druckzerstäuberdüse mindestens einen ersten Kanal für die zu zerstäubende Flüssigkeit, durch welchen letztere unter Druck zuführbar ist. In die Turbulenz- und/oder Drallkammer mündet mindestens ein weiterer Kanal für einen Teil der zu zerstäubende Flüssigkeit bzw. für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit bzw. die zweite Flüssigkeit unter Druck und mit Drall zuführbar ist.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Sicherung einer gleichmässigen Brennstoffverteilung auch bei Verwendung einer solchen zweistufige Druckzerstäuberdüse mit zunehmender Grösse der Brenner, d.h. bei einer Entwicklung wie sie beispielsweise beim Vergleich der Figuren 12 und 17 der EP 0 794 383 A2 deutlich erkennbar ist, schwieriger wird. Dies ist sowohl auf den überragenden Einfluss zurückzuführen, den die Luft auf die Verteilung der Brennstofftröpfchen besitzt als auch auf den zunehmenden Durchmesser der Brenner bzw. auf den Öffnungswinkel ihrer Drallerzeuger.

Die Luft, welche um die zentrale Brennstoffdüse eines solchen grossen Brenners strömt, verbleibt vornehmlich im Bereich der Brennerachse. Kann fast die gesamte Brennstoffmenge von dieser Luft getragen werden, entsteht ein sehr brennstoffangereichertes Zentrum, wobei keine grossen Flüssigbrennstoffmengen in den äusseren Bereich gelangen. Daher findet die Hauptverdampfung des Brennstoffs häufig bereits statt, ehe die Brennstofftröpfchen die gewünschten Punkte des Brenners, d.h. dessen äussere Bereiche, erreichen. Somit können in diesem Fall grosse NOx-Emissionen hervorgerufen werden.

Um eine Eindüsung der Brennstofftröpfchen auch in die äusseren Bereiche des Brenners zu realisieren, werden häufig Dralldüsen mit grossen Strahlwinkeln eingesetzt. Zwar düst eine solche Dralldüse in die richtige Richtung ein, jedoch besitzen die von ihr erzeugten kleinen Tröpfchen keinen ausreichenden Impuls, um den Flüssigbrennstoff vor dessen Verdampfung oder vor der Beeinflussung durch die Luft in die äusseren Bereiche des Brenners zu transportieren. Wegen der grossen Streuung bei der anfänglichen Verteilung der Tröpfchengrössen, können andererseits grosse Tropfen in die äusseren Bereiche gelangen. Diese Tropfen werden jedoch nicht verdampft und können schliesslich auf die Brennerwände auftreffen, mit der Gefahr des Zurückschlagens der Flamme in den wandnahen Strömungsbereichen.

Wird dagegen ein beispielsweise aus der EP 0 794 383 A2 bekannter, turbulenzverstärkter Brennstoffstrahl genutzt, so produziert dieser grosse Tropfen, mit einem ausreichend hohem Impuls, um durch das Luftfeld zu gelangen. Diese Strahlen besitzen jedoch einen kleinen Ausbreitungswinkel und veranlassen die Tropfen nicht, sich gleichmässig in alle Richtungen zu verteilen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ einfache und kostengünstige zweistufige Druckzerstäuberdüse für zumindest eine zu zerstäubende Flüssigkeit zu schaffen, mit welcher eine verbesserte Flüssigkeitsverteilung im Aussenraum der Druckzerstäuberdüse, insbesondere eine bessere Brennstoffverteilung in einem Vormischbrenner, erzielt werden kann.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, in der Turbulenz- und/oder Drallkammer ein separater Umlenkkörper zentral angeordnet ist, welcher die Turbulenz- und/oder Drallkammer in zumindest zwei Teilkammern unterteilt. Zudem ist jede Teilkammer über zumindest einen Turbulenzerzeugerkanal mit dem ersten Zuführkanal, über zumindest einen Drallkanal mit dem zweiten Zuführkanal und über eine Austrittsöffnung mit dem Aussenraum verbunden.

Dadurch entsteht ein Mehrpunkt-Einspritzsystem mit zumindest zwei Austrittsöffnungen, welches eine Anpassung der Zerstäubungsqualität, der Geschwindigkeit sowie der Richtung der Flüssigkeit und somit eine Anpassung der Zerstäubung und der Verteilung der Flüssigkeit an den jeweiligen Lastzustand erlaubt. Die Austrittsöffnungen, welche nur jeweils einen Teil des gesamten Flüssigkeits-Massenstroms aufnehmen, können kleiner ausgebildet werden als das bei einer Düse mit nur einer Austrittsöffnung möglich ist. Bei gleichem Flüssigkeits-Massenstrom erzeugen kleinere Austrittsöffnungen jedoch einen wesentlich dünneren Flüssigkeitsstrahl, wodurch in der Drallstufe kleinere Tröpfchen mit geringerer Eintrittstiefe produziert werden. Deshalb wird das Einsatzspektrum der Druckzerstäuberdüse vorteilhaft auch in Richtung Teillastbetrieb verschoben. Weil die Ausbildung der Teilkammern in radialer Richtung allein über den Umlenkkörper erreicht wird und letzterer als ein separater Einsatz für die Turbulenz- und/oder Drallkammer ausgebildet ist, lässt sich neben der verbesserten Funktion der Druckzerstäuberdüse auch eine separate Fertigung des Umlenkkörpers realisieren. Da auch das Zusammenfügen des Umlenkkörpers mit der restlichen Druckzerstäuberdüse relativ einfach erfolgen kann, steht letztlich eine deutlich kostengünstigere Düse zur Verfügung.

Besonders vorteilhaft ist der Umlenkkörper zumindest am zweiten Verschlusselement befestigt. Eine solche Ausbildung erleichtert die Fertigung der Druckzerstäuberdüse dahingehend, dass das zweite Verschlusselement gemeinsam mit dem Umlenkkörper montiert werden kann. Alternativ dazu liegt der Umlenkkörper zumindest am zweiten Verschlusselement der Turbulenz- und/oder Drallkammer an und weist eine Presspassung zum inneren Rohr auf. Dadurch kann ebenfalls eine einfache Fertigung der Druckzerstäuberdüse und eine definierte Lage der Teilkammem realisiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Variante zur Anordnung des Umlenkkörpers ist die, dass zwischen dem Umlenkkörper sowie dem inneren Rohr eine der Anzahl der Teilkammern entsprechende sowie letztere in ihrem äusseren Bereich verbindende Anzahl von Freiräumen ausgebildet ist und der Umlenkkörper ebenfalls zumindest am zweiten Verschlusselement der Turbulenz- und/oder Drallkammer anliegt. Auf diese Weise kommt es in jedem der Freiräume, d.h. im radial äusseren Bereich der Teilkammern, zu einem parallelen und gleichgerichteten Verlauf der Flüssigkeitsströme benachbarter Teilkammern. Da jedoch die Reibung zwischen zwei Strömungen kleiner als zwischen einer Strömung und einem festen Körper ist, kann ein geringerer Druckverlust und in der Folge eine bessere Zerstäubung der Flüssigkeiten erreicht werden. Zudem ist auch mit dieser Anordnungsvariante eine einfache und damit kostengünstige Montage der Druckzerstäuberdüse gewährleistet.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Turbulenz- und/oder Drallkammer durch den Umlenkkörper in vier Teilkammern unterteilt wird, der Umlenkkörper mit einem inneren, zumindest annähernd zentral angeordneten sowie an den Verbindungskanal des zweiten Verschlusselements anschliessenden Verteilkanal versehen und dieser Verteilkanal über jeweils einen der Turbulenzerzeugerkanäle mit jeder der Teilkammern verbunden ist. Zudem sind im inneren Rohr vier mit dem zweiten Zuführkanal verbundene Drallkanäle ausgebildet und jeweils exzentrisch in eine der Teilkammern einmündend angeordnet.

Entsprechend dieser Ausbildung der Turbulenzstufe wird die zerstäubende Flüssigkeit über den ersten Zuführkanal sowie den Verbindungskanal in den Verteilkanal des Umlenkkörpers eingeleitet und dort über die Turbulenzerzeugerkanäle gleichmässig auf die vier Teilkammern verteilt. Bei der Einleitung der Flüssigkeitsströme in die Teilkammern entsteht die bereits oben erwähnte, stark verwirbelte Strömung, welche sich bis stromab der Austrittsöffnungen fortpflanzt. Auf diese Weise wird, bei gleichbleibend guter Zerstäubung der Flüssigkeit, ein engerer Spraywinkel der vier resultierenden Flüssigkeitssprays realisiert. Somit kann die Eindringtiefe des Flüssigkeitssprays erhöht und dadurch eine gute radiale Verteilung der Flüssigkeit erreicht werden.

In der Drallstufe werden die vier über die Drallkanäle in die Teilkammern eingeleiteten Teilströme der zu zerstäubenden Flüssigkeit jeweils in eine gerichtete Drallströmung umgewandelt. Diese ebenfalls bereits oben beschriebene Ausrichtung der Drallströmung wird durch die exzentrische Eindüsung der Teilströme in die Teilkammern noch verstärkt. Die gerichtete Drallströmung setzt sich ebenfalls stromab der Austrittsöffnungen fort, so dass auch bei geringem Flüssigkeitsstrom ein für die Zerstäubung ausreichend hoher Druckabfall über diese Austrittsöffnungen vorhanden ist. Aufgrund des relativ weiten Sprühkegels in der Drallstufe hat das Spray eine niedrigere Impulsstromdichte und somit eine geringere Eindringtiefe. Dadurch kann auch bei Teillast eine hohe Flüssigkeitskonzentration im Zentrum des Aussenraums der Düse sowie eine ausreichende Flüssigkeitsverdampfung erzielt werden. Dies ermöglicht einen stabilen Düsenbetrieb im Teillastbereich.

Mit Vorteil sind sowohl die Turbulenzerzeugerkanäle als auch die Drallkanäle in den stromaufwärtigen Bereich der Teilkammern einmündend angeordnet. Aufgrund dessen wird eine frühzeitige Eindüsung der Flüssigkeit in die Teilkammern erreicht, so dass sich in der Turbulenzstufe eine stark verwirbelte Strömung und in der Drallstufe eine gerichtete Drallströmung ausbilden kann.

Es ist besonders zweckmässig, wenn alle Teilkammern gleich gross ausgebildet sind. Auf diese Weise kann eine gleichmässige Flüssigkeitsverteilung im Aussenraum der Druckzerstäuberdüse gewährleistet werden.

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ist der Umlenkkörper im Querschnitt sternförmig ausgebildet. Damit wird eine strömungsgünstige Geometrie der Teilkammern erzeugt, welche für eine gute Umlenkung der exzentrisch eintretenden Flüssigkeit und damit für eine Verbesserung der bereits oben beschriebenen, gerichteten Drallströmung sorgt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Umlenkkörper im Querschnitt doppelaxtförmig, mit zwei ersten Stegen sowie mit zwei rechtwinklig dazu angeordneten, zweiten Stegen ausgebildet. Die beiden ersten Stege laufen jeweils sichelförmig aus, während die beiden zweiten Stege zumindest jeweils annähernd parallele Seiten aufweisen. Dabei sind jeweils zwei der Drallkanäle zumindest annähernd parallel zueinander, beidseitig eines der beiden zweiten Stege in die Teilkammern einmündend angeordnet. Auf diese Weise entsteht eine veränderte Geometrie der Teilkammern mit weiter verbesserten Umlenkeigenschaften für die Drallströmung.

Schliesslich wird die Druckzerstäuberdüse vorteilhaft so mit einem Vormischbrenner verbunden, dass der Aussenraum der Druckzerstäuberdüse gleichzeitig ein Innenraum des Vormischbrenners ist. Dazu besteht der Vormischbrenner im wesentlichen aus vier in Strömungsrichtung aufeinander positionierten, hohlen Teilkegelkörpern mit einem in Strömungsrichtung konstanten Kegelhalbwinkel β. Die Längssymmetrieachsen der Teilkegelkörper verlaufen radial versetzt zueinander, so dass vier strömungsmässig entgegengesetzte, tangentiale Lufteintrittsschlitze für einen Verbrennungsluftstrom ausgebildet sind. Dabei ist die Druckzerstäuberdüse bzw. deren Düsenkörper im durch die Teilkegelkörper gebildeten, hohlkegelförmigen Innenraum des Vormischbrenners angeordnet. Jeder Teilkegelkörper weist stromab ein Nachlaufgebiet auf. In der Turbulenz- und/oder Drallkammer sind vier Teilkammern ausgebildet, deren Austrittsöffnungen jeweils auf das Nachlaufgebiet des ihnen benachbarten Teilkegelkörpers ausgerichtet sind.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff-Massenstrom über die Teilkammern in vier gleiche Teilströme aufgeteilt. Da die Teilkammern jeweils eine kleinere Austrittsöffnung aufweisen, als das bei nur einer Turbulenz- und/oder Drallkammer mit einer einzigen Austrittsöffnung realisierbar ist, können somit dünnere Brennstoffsprays erzeugt werden. In der Folge entstehen kleinere Brennstofftröpfchen, welche eine geringere Eindringtiefe in den Brennerinnenraum aufweisen und wesentlich schneller, d.h. vor Auftreffen auf die Innenwand der Teilkegelkörper, verdampfen. Infolge der Ausrichtung der Austrittsöffnungen der Teilkammern auf die dem Verbrennungsluftstrom abgewandte Seite der Teilkegelkörper sind die Brennstofftröpfchen geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt und werden dementsprechend besser radial in die Verbrennungsluft eingemischt. Letztlich wird dadurch am Ausgang des Brenners eine gleichmässige Öldampfverteilung und somit eine verbesserte Verbrennung ermöglicht.

Eine solche Druckzerstäuberdüse bzw. der mit ihr ausgestattete Brenner kann durch einfaches Regeln der Brennstoffzufuhr, d.h. durch Umschalten vom Turbulenzbetrieb auf den Drallbetrieb oder auf einen Mischbetrieb an den Vollast- oder Teillastbedarf einer Gasturbine angepasst werden. Der Brenner kann im gesamten Lastbereich der Gasturbine im Vormischbetrieb arbeiten. Bei Vollast sind hohe Eindringtiefen des Brennstoffsprays möglich, ohne dass es bei Teillast zu Problemen z.B. durch Wandauftragung von Brennstofftropfen kommt. Da der Umlenkkörper ständig vom Brennstoff der Turbulenzstufe durchströmt und somit gekühlt wird, ist kein Abkühlen der Drallstufe beim Umschaltvorgang erforderlich, so dass zudem auch ein schneller Lastwechsel realisiert werden kann. Wegen der vielseitigen Wechselmöglichkeiten zwischen drallverstärkten und turbulenzverstärkten Sprühnebeln ist die Lösung bei den meisten Maschinen- und Leistungsbedingungen anwendbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zweistufigen Druckzerstäuberdüse dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Druckzerstäuberdüse des Standes der Technik;
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse, in einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3: einen Schnitt durch die Druckzerstäuberdüse entlang der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4: eine Darstellung analog der Fig. 2, jedoch entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 geschnitten;
Fig. 5: eine vergrösserte, perspektivische Ansicht der Turbulenz- und/oder Drallkammer beim Einsatz als Turbulenzstufe, dargestellt gemäss Fig. 2 und 4, jedoch um 90° gedreht;
Fig. 6: eine Darstellung der Turbulenz- und/oder Drallkammer analog Fig. 5; jedoch beim Einsatz als Drallstufe;
Fig. 7: einen Darstellung analog Fig. 4, jedoch in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 8: eine Darstellung analog Fig. 3, jedoch entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7;
Fig. 9: einen Vormischbrenner mit integrierter Druckzerstäuberdüse;
Fig. 10: einen Schnitt X-X durch den Vormischbrenner.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist beispielsweise die die Vormischbrenner aufnehmende Brennkammer und die mit dieser verbundene Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die in Figur 1 dargestellte zweistufige Druckzerstäuberdüse des Standes der Technik weist einen Düsenkörper 1 mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Rohren 2, 3 auf, die stromab von einem als konischer Deckel ausgebildeten, ersten Verschlusselement 4 zu einem Aussenraum 5 abgeschlossen werden. Das innere Rohr 2 umschliesst einen ersten Zuführkanal 6, während zwischen dem äusseren Rohr 3 und dem inneren Rohr 2 ein zweiter Zuführkanal 7 ausgebildet ist. Stromab des ersten Zuführkanals 6 schliesst eine Turbulenz- und/oder Drallkammer 8 an, welche nach aussen vom inneren Rohr 2, stromab vom Deckel 4 und stromauf von einem als Einsatz des inneren Rohres 2 ausgebildeten, zweiten Verschlusselement 9 begrenzt wird. Die Turbulenz- und/oder Drallkammer 8 steht mit dem ersten Zuführkanal 6 über im Einsatz 9 angeordnete Turbulenzerzeugerkanäle 10, mit dem zweiten Zuführkanal 7 über mehrere, das innere Rohr 2 durchdringende Drallkanäle 11 und mit dem Aussenraum 5 über eine in der Längsachse 12 des Düsenkörpers 1 angeordnete Austrittsöffnung 13 in Verbindung.

Bei dieser Lösung kann die zweistufige Druckzerstäuberdüse bzw. der mit ihr ausgestattete Brenner durch einfaches Regeln der Brennstoffzufuhr, d.h. durch Umschalten vom Turbulenzbetrieb auf den Drallbetrieb oder auf einen Mischbetrieb an den Vollast- oder Teillastbedarf einer Gasturbine angepasst werden. Die Zufuhr von Flüssigbrennstoff, als einer zu zerstäubenden Flüssigkeit 14, zum Düsenkörper 1 erfolgt dabei auf an sich bekannte Weise, über nicht gezeigte Leitungen, so wie dies beispielsweise in der EP 0 794 383 A2 dargestellt und beschrieben ist. Zu jedem Einsatzzeitpunkt, d.h. bei Benutzung der Turbulenz- und/oder der Drallstufe der Druckzerstäuberdüse, wird der Flüssigbrennstoff 14 durch die einzige Austrittsöffnung 13 in den Aussenraum 5 eingedüst bzw. eingeleitet.

Demgegenüber zeigen die Figuren 2 bis 6 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse. Dabei ist in der Turbulenz- und/oder Drallkammer 8 ein diese in vier gleich grosse Teilkammern 15 unterteilender, separater Umlenkkörper 16 zentral angeordnet (Fig. 2). Der Umlenkkörper 16 ist im Querschnitt sternförmig ausgebildet (Fig. 3). Er wird als ein separates Bauteil der Turbulenz- und/oder Drallkammer 8 gefertigt und liegt an den beiden Verschlusselementen 4, 9 an. Zwischen dem Umlenkkörper 16 sowie dem inneren Rohr 2 ist eine der Anzahl der Teilkammern 15 entsprechende Anzahl von Freiräumen 17 ausgebildet.

Die Teilkammern 15 sind stromauf durch den Einsatz 9, stromab durch den Deckel 4, radial nach aussen vom inneren Rohr 2 und in ihrem inneren Bereich durch den Umlenkkörper 16 begrenzt. Die Freiräume 17 verbinden die Teilkammern 15 in ihrem äusseren Bereich miteinander. Jede Teilkammer 15 ist über einen Turbulenzerzeugerkanal 18 mit einem zentral im Inneren des Umlenkkörpers 16 ausgebildeten Verteilkanal 19 verbunden, welcher seinerseits über einen im Einsatz 9 angeordneten Verbindungskanal 20 mit dem ersten Zuführkanal 6 kommuniziert (Fig. 2). Zudem ist jede Teilkammer 15 über einen Drallkanal 11 mit dem zweiten Zuführkanal 7 verbunden, wobei die Drallkanäle 11 jeweils exzentrisch in den stromaufwärtigen Bereich der Teilkammern 15 einmünden (Fig. 3, Fig. 4). Schliesslich besitzt jede Teilkammer 15 eine im Deckel 4 angeordnete Austrittsöffnung 13 zum Aussenraum 5 der Druckzerstäuberdüse. Die Austrittsöffnungen 13 sind gleichmässig über den Umfang des Deckels 4 verteilt und auf einem gemeinsamen Umfangskreis angeordnet.

Wie in Figur 2 dargestellt gelangt der Flüssigbrennstoff 14 beim Betrieb der Turbulenzstufe über den ersten Zuführkanal 6 und den Verbindungskanal 20 in den Verteilkanal 19. Von dort aus wird er durch die vier Turbulenzerzeugerkanäle 18 als eine turbulente Strömung in die Teilkammern 15 eingeleitet, wo es aufgrund von Strömungsablösungen zu stark verwirbelten Strömungen mit einer gleichmässigen Flüssigkeitsbeaufschlagung der Teilkammern 15 kommt (Fig. 5). Über die Austrittsöffnungen 13 erfolgt anschliessend das Eindüsen des Flüssigbrennstoffs 14 in den Aussenraum 5, in Form von vier separaten Brennstoffsprays 21. Zum Erreichen einer guten Zerstäubungsqualität und einer hohen Strahleindringtiefe sollte der Einspritzdruck bis zu 100 bar betragen.

Dagegen wird, wie in Figur 4 gezeigt, die Drallstufe über den zweiten Zuführkanal 7 mit dem Flüssigbrennstoff 14 beaufschlagt. Letzterer gelangt zunächst in die Drallkanäle 11 und wird von dort aus auf die Teilkammern 15 aufgeteilt. Dabei erfolgt die Einleitung des Flüssigbrennstoffs 14 in den stromaufwärtigen Bereich der Teilkammern 15, so dass sich aufgrund der strömungsgünstigen Ausbildung der Teilkammern 15 und wegen ihrer exzentrischen Anströmung eine gerichtete Drallströmung aufprägt, welche gleichfalls über die vier Austrittsöffnungen 13 in den Aussenraum 5 der Druckzerstäuberdüse eingeleitet wird (Fig. 6). Für eine gute Zerstäubungsqualität sollte der Einspritzdruck ebenfalls bis zu 100 bar erreichen. Der mit der Drallstufe maximal erreichbare Massenstrom liegt bei gleichem Einspritzdruck unter dem der Turbulenzstufe, sollte aber nicht weniger als 50% des Brennstoffstromes bei Vollast betragen.

Das Umschalten zwischen der Turbulenzstufe und der Drallstufe erfolgt gleitend, durch entsprechendes Beaufschlagen der nicht dargestellten, mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Zuführkanal 6, 7 verbundenen Brennstoffleitungen. Auf diese Weise werden Instabilitäten in der Verbrennung vermieden. Bezüglich des Umschaltregimes wird wiederum auf die EP 0 794 383 A2, insbesondere auf deren Figuren 8 und 9 sowie auf die zugehörige Beschreibung verwiesen.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 7, Fig. 8) ist der Umlenkkörper 16 im Querschnitt doppelaxtförmig, mit zwei ersten Stegen 22 sowie mit zwei rechtwinklig dazu angeordneten zweiten Stegen 23 ausgebildet. Dabei laufen die beiden ersten Stege 22 jeweils sichelförmig aus, während die beiden zweiten Stege 23 zumindest jeweils annähernd parallele Seiten 24 aufweisen. Zudem sind jeweils zwei der Drallkanäle 11 zumindest annähernd parallel zueinander und jeweils beidseitig eines der beiden zweiten Stege 23 in die Teilkammern 15 einmündend angeordnet. Bei seiner Montage wird der Umlenkkörper 16 in die Turbulenz- und/oder Drallkammer 8 eingepresst, wozu zwischen den beiden ersten Stegen 22 und dem inneren Rohr 2 eine Presspassung 25 ausgebildet ist. Natürlich kann auch eine andere geeignete Befestigung des Umlenkkörpers 16, beispielsweise durch Verschweissen mit dem zweiten Verschlusselement 9 erfolgen. Die Turbulenz- und/oder Drallkammer 8 wird durch die Stege 22, 23 in vier separate Teilkammern 15 unterteilt (Fig. 8). Infolge der veränderten Geometrie des Umlenkkörpers 16 und damit der Teilkammern 15 wird die Umlenkung des eintretenden Flüssigbrennstoffs 14 weiter verbessert, so dass eine bessere Zentrierung der Drallströmung erfolgt. Dies führt zu einem gleichmässigeren Drallspray und somit zu kleineren Tropfen. Letztere verdampfen bei Teillast schneller, wodurch eine verbesserte Vormischung erreicht werden kann.

Natürlich kann die Zuführung des Flüssigbrennstoffs 14 in die Teilkammern 15 sowohl beim ersten als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel auch direkt durch Turbulenzerzeugerkanäle 10 im Einsatz 9 des inneren Rohres 2 erfolgen, wie sie beispielsweise in Figur 1 dargestellt sind.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Düsenkörper 1 so mit einem Vormischbrenner 26 verbunden, dass der Aussenraum 5 des Düsenkörpers 1 gleichzeitig ein Innenraum 5' des Vormischbrenners 26 ist (Fig. 9). Dabei fallen die Längsachse 12 des Düsenkörpers 1 und die Brennerachse 27 zusammen. Der Vormischbrenner 26 ist ein kegelförmiges Gebilde und besteht im wesentlichen aus vier aufeinander positionierten, hohen Teilkegelkörpern 28, 29, 30, 31 mit einem in Strömungsrichtung konstanten Kegelhalbwinkel β zur Brennerachse 27. Im engsten Querschnitt des durch die Teilkegelkörper 28, 29, 30, 31 gebildeten, hohlkegelförmigen Innenraumes 5' des Vormischbrenners 26 ist der Düsenkörper 1 angeordnet. Analog der Figuren 1 bis 8 weist der Düsenkörper 1 eine Turbulenz- und/oder Drallkammer 8 auf, welche durch einen Umlenkkörper 16 in vier Teilkammern 15 mit jeweils einer Austrittsöffnung 13 unterteilt wird.

Die Teilkegelkörper 28, 29, 30, 31 besitzen jeweils eine Längssymmetrieachse 28', 29', 30', 31'. Letztere verlaufen radial versetzt zueinander, so dass vier strömungsmässig entgegengesetzte, tangentiale Lufteintrittsschlitze 32 für einen Verbrennungsluftstrom 33 ausgebildet werden (Fig. 10). Zudem weisen die Teilkegelkörper 28, 29, 30, 31 längs der Lufteintrittsschlitze 32 je eine Brennstoffzuleitung 34 auf. Diese Brennstoffzuleitungen 34 sind längsseitig mit Öffnungen 35 versehen, durch welche ein gasförmiger Brennstoff 36 in den Innenraum 5' des Vormischbrenners 26 einströmen kann (Fig. 9). Dieser Brennstoff 36 wird bei Bedarf dem durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 32 in den Innenraum 5' eingeführten Verbrennungsluftstrom 33 zugemischt. Ein Mischbetrieb des Vormischbrenners 26 über die Druckzerstäuberdüse und die Brennstoffzuleitungen 34 ist möglich.

Beim Betrieb des Vormischbrenners 26 über die Druckzerstäuberdüse wird, in Abhängigkeit sowohl von der Materialdicke seiner Teilkegelkörper 28, 29, 30, 31 als auch von der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluftströme 33, stromab jedes Teilkegelkörpers 28, 29, 30, 31 zwangsläufig ein Nachlaufgebiet 37, 38, 39, 40 ausgebildet, in dem deutlich geringere aerodynamische Kräfte herrschen als in den benachbarten Bereichen des Innenraums 5'. Jede der vier Austrittsöffnungen 13 der Teilkammern 15 ist auf das Nachlaufgebiet 37, 38, 39, 40 des ihr benachbarten Teilkegelkörpers 28, 29, 30, 31 ausgerichtet. Dadurch wird der Flüssigbrennstoff 14 in Form der vier separaten Brennstoffsprays 21 über die Austrittsöffnungen 13 in den Innenraum 5' des Vormischbrenners 26, genauer in die Nachlaufgebiete 37, 38, 39, 40 der Teilkegelkörper 28, 29, 30, 31 des Vormischbrenners 26, eingedüst. Infolge dieser Ausrichtung der Brennstoffsprays 21 sind die Brennstofftröpfchen geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt und werden dementsprechend besser radial in die Verbrennungsluftströme 33 eingemischt. Die verbesserte Vormischung führt zu einem gleichmässig aufbereiteten Brenngemisch am Brennerende und damit zu einer verbesserten Verbrennung mit deutlich geringeren NOx-Werten.

Bei Vollast einer nicht dargestellten, mit einer Brennkammer verbundenen Gasturbine werden die Druckzerstäuberdüsen jedes die Brennkammer beaufschlagenden Vormischbrenners 26 nahezu vollständig über ihre Turbulenzstufe betrieben. Dadurch werden Brennstoffsprays 21 mit kleinen, zu den Brennerinnenwänden 41 ausgerichtete Winkeln und mit grossen Tröpfchen-Impulsen erzeugt. Diese Brennstofftröpfchen dringen in das sie umgebende, vom Verbrennungsluftstrom 33 gebildete Luftfeld ein und erreichen so in grosser Anzahl die äusseren Bereiche des Innenraums 5' des Vormischbrenners 26. Auf diese Weise kann schliesslich am Brennerausgang ein gleichmässiges Brennstoff-Dampfprofil ausgebildet werden.

Im allgemeinen wird bei Teillast der Verbrennungsluftstrom 33 und damit auch dessen Impuls verringert, was die Notwendigkeit eines geringeren Massenstroms an Flüssigbrennstoff 14, eines geringeren Spray-Impulses und daher kleinerer Brennstofftröpfchen hervorruft. Daher wird in diesem Betriebszustand der Gasturbine die jeweilige Drallstufe der Druckzerstäuberdüsen stärker beaufschlagt als die Turbulenzstufe. Ein steigendes Drallverhältnis reduziert allmählich und automatisch den Massenstrom des Flüssigbrennstoffs 14. Weil zudem die Drallstufe einen geringeren Massenstrom als die Turbulenzstufe realisiert, sinkt der Brennstoffdruck des Flüssigbrennstoffs 14 entsprechend. Um ein Anwachsen der Tröpfchengrösse und damit das Auftreffen der Brennstofftröpfchen auf die Brennerinnenwände 41 zu verhindern ist ein konstanter Brennstoffdruck erforderlich. Dagegen wird bei sinkender Last der Gasturbine, d.h. bei weiter abnehmendem Einfluss des Verbrennungsluftstroms 33, durch den Übergang auf einen nahezu vollständigen Drallbetrieb, eine weitere Verringerung der Tröpfchengrösse des Flüssigbrennstoffs 14 erreicht.

Natürlich kann der Vormischbrenner 26, entsprechend der EP 0 704 657 A2, auch aus einem Drallerzeuger und einem stromab anschliessenden Mischrohr bestehen, wobei der Drallerzeuger im wesentlichen dem oben beschriebenen Vormischbrenner 26 entspricht, oder auch eine Lösung für Doppelkegelbrenner d.h. für einen Vormischbrenner mit zwei Teilkegelkörpern realisiert werden (nicht dargestellt). Ebenso kann der Vormischbrenner nicht kegelig ausgebildet sein und/oder aus einer Anzahl kreisförmig angeordneter Schaufeln bestehen (ebenfalls nicht dargestellt).

Bezugszeichenliste

1: Düsenkörper
2: Rohr, inneres
3: Rohr, äusseres
4: erstes Verschlusselement, Deckel
5: Aussenraum
6: Zuführkanal, erster
7: Zuführkanal zweiter
8: Turbulenz- und/oder Drallkammer
9: zweites Verschlusselement, Einsatz
10: Turbulenzerzeugerkanal
11: Drallkanal
12: Längsachse, von 1
13: Austrittsöffnung
14: Flüssigkeit, Flüssigbrennstoff
15: Teilkammer
16: Umlenkkörper
17: Freiraum
18: Turbulenzerzeugerkanal, in 16
19: Verteilkanal, in 16
20: Verbindungskanal, in 9
21: Brennstoffspray
22: Steg, erster
23: Steg, zweiter
24: Seite, von 23
25: Presspassung
26: Vormischbrenner
27: Brennerachse
28: Teilkegelkörper
29: Teilkegelkörper
30: Teilkegelkörper
31: Teilkegelkörper
32: Lufteintrittsschlitz
33: Verbrennungsluftstrom
34: Brennstoffzuleitung
35: Öffnung
36: Brennstoff, gasförmiger
37: Nachlaufgebiet
38: Nachlaufgebiet
39: Nachlaufgebiet
40: Nachlaufgebiet
41: Brennerinnenwand
5': Innenraum, von 26
28': Längssymmetrieachse
29': Längssymmetrieachse
30': Längssymmetrieachse
31': Längssymmetrieachse
β: Kegelhalbwinkel

Claims

Zweistufige Druckzerstäuberdüse für zumindest eine zu zerstäubende Flüssigkeit, mit einem aus einem äusseren Rohr und einem inneren Rohr bestehenden Düsenkörper, wobei im inneren Rohr ein erster Zuführkanal und zwischen dem äusseren sowie dem inneren Rohr ein zweiter Zuführkanal ausgebildet ist, beide Zuführkanäle in eine Turbulenz- und/oder Drallkammer münden, letztere mittels eines ersten Verschlusselements gegenüber einem Aussenraum sowie mittels eines zweiten Verschlusselements gegenüber dem ersten Zuführkanal abgegrenzt und über zumindest einen im zweiten Verschlusselement angeordneten Verbindungskanal mit dem ersten Zuführkanal sowie über eine im ersten Verschlusselement angeordnete Austrittsöffnung mit dem Aussenraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass

a) in der Turbulenz- und/oder Drallkammer (8) ein separater, letztere in zumindest zwei Teilkammern (15) unterteilender Umlenkkörper (16) zentral angeordnet ist,

b) jede Teilkammer (15) über zumindest einen Turbulenzerzeugerkanal (10, 18) mit dem ersten Zuführkanal (6), über zumindest einen Drallkanal (11) mit dem zweiten Zuführkanal (7) und über eine Austrittsöffnung (13) mit dem Aussenraum (5) verbunden ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (16) zumindest am zweiten Verschlusselement (9) der Turbulenz- und/oder Drallkammer (8) befestigt ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (16) zumindest am zweiten Verschlusselement (9) der Turbulenz- und/oder Drallkammer (8) anliegt und eine Presspassung (25) zum inneren Rohr (2) aufweist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (16) zumindest am zweiten Verschlusselement (9) der Turbulenz- und/oder Drallkammer (8) anliegt, zwischen dem Umlenkkörper (16) sowie dem inneren Rohr (2) eine der Anzahl der Teilkammern (15) entsprechende und letztere in ihrem äusseren Bereich verbindende Anzahl von Freiräumen (17) ausgebildet ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenz- und/oder Drallkammer (8) vier Teilkammern (15) aufweist, im inneren Rohr (2) vier mit dem zweiten Zuführkanal (7) verbundene Drallkanäle (11) ausgebildet und jeweils exzentrisch in eine der Teilkammern (15) einmündend angeordnet sind.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (16) mit einem zumindest annähernd zentralen, an den Verbindungskanal (20) des zweiten Verschlusselements (9) anschliessenden Verteilkanal (19) versehen und dieser Verteilkanal (19) über jeweils einen der Turbulenzerzeugerkanäle (18) mit jeder der Teilkammern (15) verbunden ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Einsatz (9) des inneren Rohres (2) vier Turbulenzerzeugerkanäle (10) angeordnet sind und jeder Turbulenzerzeugerkanal (10) mit einer der Teilkammern (15) verbunden ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Turbulenzerzeugerkanäle (10, 18) als auch die Drallkanäle (11) in den stromaufwärtigen Bereich der Teilkammern (15) einmünden.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkammern (15) gleich gross ausgebildet sind.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (16) im Querschnitt sternförmig ausgebildet ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (16) im Querschnitt doppelaxtförmig, mit zwei ersten Stegen (22) sowie mit zwei rechtwinklig dazu angeordneten zweiten Stegen (23) ausgebildet ist, wobei die beiden ersten Stege (22) jeweils sichelförmig auslaufen und die beiden zweiten Stege (23) zumindest jeweils annähernd parallele Seiten (24) aufweisen.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der Drallkanäle (11) zumindest annähernd parallel zueinander, beidseitig eines der beiden zweiten Stege (23) in die Teilkammern (15) einmündend angeordnet sind.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) mit einem Vormischbrenner (26 ) verbunden und der Aussenraum (5) gleichzeitig ein Innenraum (5') des Vormischbrenners (26) ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass

a) in der Turbulenz- und/oder Drallkammer (8) vier Teilkammern (15) ausgebildet sind,

b) der Vormischbrenner (26) im wesentlichen aus vier in Strömungsrichtung aufeinander positionierten, hohlen Teilkegelkörpern (28, 29, 30, 31) mit einem in Strömungsrichtung konstanten Kegelhalbwinkel β besteht, deren Längssymmetrieachsen (28', 29', 30', 31') radial versetzt zueinander verlaufen, so dass vier strömungsmässig entgegengesetzte, tangentiale Lufteintrittsschlitze (32) für einen Verbrennungsluftstrom (33) ausgebildet sind,

c) der Düsenkörper (1) im durch die Teilkegelkörper (28, 29, 30, 31) gebildeten, hohlkegelförmigen Innenraum (5') des Vormischbrenners (26) angeordnet ist,

d) stromab jedes Teilkegelkörpers (28, 29, 30, 31) ein Nachlaufgebiet (37, 38, 39, 40) ausgebildet ist und die Austrittsöffnungen (13) der Teilkammern (15) jeweils auf das Nachlaufgebiet (37, 38, 39, 40) des ihnen benachbarten Teilkegelkörpers (28, 29, 30, 31) ausgerichtet sind.