EP0924460B1 - Two-stage pressurised atomising nozzle - Google Patents
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- EP0924460B1 EP0924460B1 EP19970811007 EP97811007A EP0924460B1 EP 0924460 B1 EP0924460 B1 EP 0924460B1 EP 19970811007 EP19970811007 EP 19970811007 EP 97811007 A EP97811007 A EP 97811007A EP 0924460 B1 EP0924460 B1 EP 0924460B1
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- F23D2204/00—Burners adapted for simultaneous or alternative combustion having more than one fuel supply
Definitions
- the invention relates to a two-stage pressure atomizing nozzle according to the preamble of claim 1, which for example in the premix burners of a gas turbine plant is used.
- EP 0 794 383 A2 has a two-stage pressure atomizing nozzle, which one Adjustment of the drop spray with regard to the atomization quality, the drop size and the spray angle to the respective load conditions.
- the nozzle is characterized by a simple, little space requirement Type out.
- the pressure atomizer nozzle has at least a first channel for the liquid to be atomized, through which the latter can be fed under pressure. Opens into the turbulence and / or swirl chamber at least one further channel for part of the liquid to be atomized or for a second liquid to be atomized, through which said part of the Liquid or the second liquid can be supplied under pressure and with swirl.
- swirl nozzles In order to inject the fuel droplets into the outer areas of the To realize the burner, swirl nozzles with large jet angles are often used. Such a swirl nozzle injects in the right direction, but it does the small droplets it produces do not have sufficient momentum to the liquid fuel before it is vaporized or before it is influenced by to transport the air to the outer areas of the burner. Because of the large scatter in the initial distribution of droplet sizes on the other hand, large drops get into the outer areas. These drops However, they are not vaporized and can ultimately reach the burner walls hit, with the danger of the flame striking back in the wall Flow regions.
- the invention tries to avoid all of these disadvantages. You have the task based on a relatively simple and inexpensive two-stage pressure atomizing nozzle for at least one liquid to be atomized, with which one improved liquid distribution in the outer space of the pressure atomizing nozzle, in particular better fuel distribution in a premix burner can be.
- each sub-chamber via at least one turbulence generator channel with the first feed channel, via at least one swirl duct with the second feed duct and via an outlet opening connected to the outside space.
- the outlet openings which is only a part of the total liquid mass flow can be made smaller than with a nozzle only one outlet opening is possible. Generate with the same liquid mass flow smaller outlet openings but a much thinner jet of liquid, resulting in smaller droplets with a lower entry depth in the swirl stage to be produced. That is why the application range of the pressure atomizer nozzle advantageously also shifted towards part-load operation.
- the training the partial chamber is reached in the radial direction solely via the deflecting body and the latter as a separate insert for the turbulence and / or swirl chamber is designed in addition to the improved function of the pressure atomizing nozzle also realize a separate production of the deflecting body. Since that too Assembling the deflecting body with the rest of the pressure atomizing nozzle relatively can be done easily, there is ultimately a significantly cheaper nozzle Available.
- the deflecting body is particularly advantageous at least on the second closure element attached.
- Such training facilitates the manufacture of the pressure atomizing nozzle in that the second closure element together with the deflecting body can be mounted.
- the deflection body is located at least on the second closure element of the turbulence and / or swirl chamber and has a press fit to the inner tube. This can also simple manufacture of the pressure atomizer nozzle and a defined position of the Partial chambers can be realized.
- Another advantageous variant for the arrangement of the deflecting body is that one of the number of sub-chambers between the deflecting body and the inner tube corresponding and connecting the latter in their outer area Number of free spaces is formed and the deflecting body also at least abuts the second closure element of the turbulence and / or swirl chamber. On this way it occurs in each of the free spaces, i.e. in the radially outer area of the sub-chambers, to a parallel and rectified course of the liquid flows neighboring subchambers.
- this arrangement variant is also a simple and therefore inexpensive assembly of the pressure atomizer nozzle is guaranteed.
- the turbulence and / or swirl chamber through the Deflection body is divided into four sub-chambers, the deflection body with an inner, at least approximately centrally arranged and on the connecting channel of the second closure element connecting distribution channel and this distribution channel via each of the turbulence generator channels with each the subchambers is connected.
- the inner tube with the second Feed channel connected swirl channels formed and each eccentrically in a of the sub-chambers arranged.
- the atomizing liquid via the first feed channel and the connecting channel into the distribution channel of the deflecting body and there via the turbulence generator channels evenly distributed across the four subchambers.
- the strongly swirled already mentioned arises in the partial chambers Flow that propagates downstream of the outlet openings.
- the atomization of the liquid With the atomization of the liquid remaining the same, becomes narrower Spray angle of the four resulting liquid sprays realized.
- the The depth of penetration of the liquid spray increases and thereby a good radial Distribution of the liquid can be achieved.
- the four are introduced into the subchambers via the swirl channels Partial flows of the liquid to be atomized into a directed swirl flow converted.
- This alignment also described above the swirl flow is caused by the eccentric injection of the partial flows into the Partial chambers reinforced.
- the directional swirl flow also settles downstream of the outlet openings, so that even with low liquid flow a sufficiently high pressure drop across these outlet openings for atomization is available.
- the spray Because of the relatively wide spray cone in the swirl stage the spray has a lower pulse current density and therefore a lower penetration depth. This can result in a high liquid concentration in the center even at partial load the exterior of the nozzle and sufficient liquid evaporation be achieved. This enables stable nozzle operation in the partial load range.
- Both the turbulence generator channels and the swirl channels are advantageous in arranged upstream of the upstream region of the partial chambers. by virtue of this is an early injection of the liquid into the subchambers reached, so that in the turbulence stage a strongly swirled flow and in the swirl stage can form a directed swirl flow.
- the deflecting body is in cross section star-shaped. This creates a streamlined geometry Partial chambers generated, which for a good deflection of the eccentrically entering Liquid and thus for an improvement of the already described above, directional swirl flow.
- the deflecting body is in cross section double ax-shaped, with two first bars and two at right angles to it arranged, second webs formed.
- the first two webs run each sickle-shaped, while the two second webs at least approximately each have parallel sides.
- Two of the swirl channels are at least approximately parallel to each other, one of the two second webs on both sides arranged opening into the subchambers. In this way, a changed one arises Geometry of the sub-chambers with further improved deflection properties for the swirl flow.
- the pressure atomizing nozzle is advantageously used with a premix burner connected that the outside space of the pressure atomizing nozzle at the same time is an interior of the premix burner.
- the premix burner in the essentially of four hollow ones positioned one on top of the other in the flow direction Partial cone bodies with a constant cone half angle ⁇ in the direction of flow.
- the longitudinal symmetry axes of the partial cone bodies are radially offset from one another, so that there are four oppositely flowing, tangential air inlet slots are designed for a combustion air flow.
- Each partial cone body has a wake area downstream.
- the turbulence and / or Swirl chamber are formed four sub-chambers, the respective outlet openings aligned to the trailing area of the adjacent partial cone body are.
- the fuel mass flow is over the sub-chambers divided into four equal sub-streams. Because the subchambers each have a smaller outlet opening than that with only one turbulence and / or swirl chamber with a single outlet opening can be realized thus thinner fuel sprays are generated. As a result, smaller ones emerge Fuel droplets, which have a lower penetration depth into the interior of the burner and much faster, i.e. before hitting the inside wall of the Partial cone body, evaporate. Due to the alignment of the outlet openings of the Partial chambers on the side of the partial cone body facing away from the combustion air flow the fuel droplets are exposed to lower aerodynamic forces and are therefore better mixed radially into the combustion air. Ultimately, this results in an even distribution of oil vapor at the burner outlet and thus enables improved combustion.
- Such a pressure atomizing nozzle or the burner equipped with it can by simply regulating the fuel supply, i.e. by switching from turbulence operation to the swirl operation or to a mixed operation at the full load or Partial load requirements of a gas turbine can be adjusted.
- the burner can be used throughout Work the load range of the gas turbine in premix mode. At full load are high Penetration depths of the fuel spray possible without causing problems under partial load e.g. comes through wall application of fuel drops. Because the deflector constantly flowed through by the fuel of the turbulence stage and thus cooled cooling of the swirl stage is not necessary during the switching process, so that a fast load change can also be realized. Because of the versatile Switching options between swirl-enhanced and turbulence-enhanced Spray is the solution for most machine and performance conditions applicable.
- the two-stage pressure atomizing nozzle of the prior art shown in FIG Technology has a nozzle body 1 with two concentrically arranged to each other Pipes 2, 3 on the downstream of a conical cover, first closure element 4 to be closed to an outside space 5.
- the inner tube 2 encloses a first feed channel 6, while between the outer tube 3 and the inner tube 2 a second feed channel 7 is formed is.
- a turbulence and / or closes downstream of the first feed channel 6 Swirl chamber 8, which is directed outwards from the inner tube 2, downstream from the cover 4 and upstream from a second insert designed as an insert of the inner tube 2 Closure element 9 is limited.
- the turbulence and / or swirl chamber 8 stands with the first feed channel 6 via turbulence generator channels arranged in the insert 9 10, with the second feed channel 7 over several, the inner tube 2 penetrating swirl channels 11 and with the outer space 5 via one in the Longitudinal axis 12 of the nozzle body 1 arranged outlet opening 13 in connection.
- the two-stage pressure atomizing nozzle or with it equipped burners by simply regulating the fuel supply, i.e. by Switch from turbulence mode to swirl mode or to mixed mode can be adapted to the full load or partial load requirements of a gas turbine.
- the supply of liquid fuel as a liquid to be atomized 14 to Nozzle body 1 takes place in a manner known per se, via lines, not shown, as shown and described for example in EP 0 794 383 A2 is.
- the liquid fuel 14 injected or introduced into the outer space 5 through the only outlet opening 13.
- Figures 2 to 6 show a first embodiment of a pressure atomizing nozzle according to the invention. It is in the turbulence and / or Swirl chamber 8 is a separate one which divides them into four subchambers 15 of the same size Deflector 16 arranged centrally (Fig. 2).
- the deflection body 16 is in the Cross-section formed in a star shape (Fig. 3). It is a separate component of the Turbulence and / or swirl chamber 8 is made and is due to the two closure elements 4, 9. Is between the deflection body 16 and the inner tube 2 a number of free spaces 17 corresponding to the number of subchambers 15 educated.
- each sub-chamber 15 is upstream through the insert 9, downstream through the cover 4, radially outwards from the inner tube 2 and in its inner area limits the deflection body 16.
- the free spaces 17 connect the subchambers 15 in their outer area with each other.
- Each sub-chamber 15 is via a turbulence generator channel 18 with a centrally formed inside the deflecting body 16 Distribution channel 19 connected, which in turn via an in use 9th arranged connecting channel 20 communicates with the first feed channel 6 (Fig. 2).
- each sub-chamber 15 is connected to the second via a swirl channel 11 Feed channel 7 connected, the swirl channels 11 each eccentrically in the open upstream of the partial chambers 15 (Fig. 3, Fig. 4).
- each partial chamber 15 has an outlet opening arranged in the cover 4 13 to the outside 5 of the pressure atomizing nozzle. The outlet openings 13 are evenly distributed over the circumference of the cover 4 and on a common one Circumferential circle arranged.
- the liquid fuel 14 arrives during the operation of the turbulence stage via the first feed channel 6 and the connecting channel 20 in the Distribution channel 19. From there it is through the four turbulence generator channels 18 as a turbulent flow into the subchambers 15 where it is due from flow separations to strongly swirled flows with a uniform Liquid application of the partial chambers 15 comes (Fig. 5). About the Outlet openings 13 are then injected with the liquid fuel 14 into the outside space 5, in the form of four separate fuel sprays 21.
- Zum Achieve good atomization quality and a high penetration depth the injection pressure should be up to 100 bar.
- the swirl stage is via the second feed channel 7 applied with the liquid fuel 14.
- the latter first gets into the Swirl channels 11 and is divided from there to the subchambers 15.
- there the liquid fuel 14 is introduced into the upstream region of the partial chambers 15, so that due to the aerodynamic design the sub-chambers 15 and because of their eccentric flow a directed Imprints swirl flow, which also via the four outlet openings 13 in the outer space 5 of the pressure atomizing nozzle is introduced (FIG. 6).
- the injection pressure should also reach atomization quality of up to 100 bar.
- the maximum mass flow achievable with the swirl stage is the same Injection pressure below that of the turbulence stage, but should not be less than 50% of the fuel flow at full load.
- a second embodiment of the invention is the deflecting body 16 in cross section double ax-shaped, with two first webs 22 and formed with two second webs 23 arranged at right angles thereto.
- the first two webs 22 each run out sickle-shaped, while the two second webs 23 each have at least approximately parallel sides 24.
- the nozzle body 1 is included connected to a premix burner 26 that the outer space 5 of the nozzle body 1 is simultaneously an interior 5 'of the premix burner 26 (FIG. 9). there the longitudinal axis 12 of the nozzle body 1 and the burner axis 27 coincide.
- the premix burner 26 is a conical structure and essentially consists of four hollow partial cone bodies 28, 29, 30 positioned one on top of the other, 31 with a constant cone half angle ⁇ to the burner axis in the direction of flow 27.
- hollow cone-shaped interior 5 'of the premix burner 26 is the Nozzle body 1 arranged.
- the nozzle body 1 Analogously to FIGS. 1 to 8, the nozzle body 1 a turbulence and / or swirl chamber 8, which by a deflecting body 16 is divided into four subchambers 15, each with an outlet opening 13.
- the partial cone bodies 28, 29, 30, 31 each have a longitudinal axis of symmetry 28 ', 29', 30 ', 31'. The latter run radially offset from one another, so that four flow opposite, tangential air inlet slots 32 for a combustion air flow 33 are formed (Fig. 10).
- the partial cone bodies have 28, 29, 30, 31 along the air inlet slots 32 each have a fuel feed line 34 on.
- These fuel supply lines 34 are provided with openings 35 on the longitudinal side, through which a gaseous fuel 36 into the interior 5 'of the premix burner 26 can flow (Fig. 9). This fuel 36 is used when needed that introduced through the tangential air inlet slots 32 into the interior 5 ' Combustion air flow 33 mixed.
- a mixed operation of the premix burner 26 via the pressure atomizing nozzle and the fuel feed lines 34 is possible.
- each partial cone body 28, 29, 30, 31 inevitably has a trailing area 37, 38, 39, 40 trained in which there are significantly lower aerodynamic forces than in the adjacent areas of the interior 5 '.
- Each of the four outlet openings 13 of the subchambers 15 is on the trailing area 37, 38, 39, 40 of the one adjacent to it Part cone body 28, 29, 30, 31 aligned.
- the combustion air flow 33 and thus also at partial load whose momentum is reduced, reducing the need for a lower mass flow of liquid fuel 14, a lower spray pulse and therefore a smaller one Fuel droplets. Therefore, the gas turbine is in this operating state the respective swirl stage of the pressure atomizing nozzles is acted upon more than the turbulence level. An increasing swirl ratio gradually and automatically reduces the mass flow of the liquid fuel 14. Because the swirl stage realizes a lower mass flow than the turbulence stage, the fuel pressure drops of the liquid fuel 14 accordingly. About an increase in droplet size and thus the impact of the fuel droplets on the inner walls of the burner To prevent a constant fuel pressure is required. On the other hand when the gas turbine load decreases, i.e. with further decreasing influence of the combustion air flow 33, by the transition to an almost complete one Swirl operation, further reducing the droplet size of the liquid fuel 14 reached.
- the premix burner 26, according to EP 0 704 657 A2 can also consist of a swirl generator and a downstream mixing tube, the swirl generator being essentially the premix burner described above 26 corresponds, or also a solution for double-cone burners i.e. can be realized for a premix burner with two partial cone bodies (not shown).
- the premix burner cannot be conical and / or consist of a number of circularly arranged blades (likewise not shown).
Description
Die Erfindung betrifft eine zweistufige Druckzerstäuberdüse gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, welche beispielsweise in den Vormischbrennern einer Gasturbinenanlage
zum Einsatz kommt.The invention relates to a two-stage pressure atomizing nozzle according to the preamble
of
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.With the increasing operating pressures of modern gas turbines, a good distribution becomes of liquid fuel is becoming a problem. The reasons are mainly in the increasing air density and in its momentum, which some have greater influence on the distribution of the fuel droplets.
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. EP 0 794 383 A2 has a two-stage pressure atomizing nozzle, which one Adjustment of the drop spray with regard to the atomization quality, the drop size and the spray angle to the respective load conditions. Farther the nozzle is characterized by a simple, little space requirement Type out. For this purpose, it comprises a nozzle body with an inside and communicating with an outside space via a nozzle bore Turbulence and / or swirl chamber. In addition, the pressure atomizer nozzle has at least a first channel for the liquid to be atomized, through which the latter can be fed under pressure. Opens into the turbulence and / or swirl chamber at least one further channel for part of the liquid to be atomized or for a second liquid to be atomized, through which said part of the Liquid or the second liquid can be supplied under pressure and with swirl.
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.However, it has been shown that ensuring an even fuel distribution even when using such a two-stage pressure atomizing nozzle with increasing size of the burners, i.e. in a development like this, for example when comparing Figures 12 and 17 of EP 0 794 383 A2 clearly is recognizable, becomes more difficult. This is due to the overwhelming influence attributed to the air by the distribution of the fuel droplets as also on the increasing diameter of the burners or on the opening angle their swirl generator.
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.The air around the central fuel nozzle of such a large burner flows, remains mainly in the area of the burner axis. Can do almost the whole The amount of fuel carried by this air creates a very fuel-enriched one Center, with no large amounts of liquid fuel in the reach the outer area. Therefore, the main vaporization of the fuel takes place often takes place before the fuel droplets reach the desired points on the Brenners, i.e. reach its outer areas. So in this case large NOx emissions are caused.
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.In order to inject the fuel droplets into the outer areas of the To realize the burner, swirl nozzles with large jet angles are often used. Such a swirl nozzle injects in the right direction, but it does the small droplets it produces do not have sufficient momentum to the liquid fuel before it is vaporized or before it is influenced by to transport the air to the outer areas of the burner. Because of the large scatter in the initial distribution of droplet sizes on the other hand, large drops get into the outer areas. These drops However, they are not vaporized and can ultimately reach the burner walls hit, with the danger of the flame striking back in the wall Flow regions.
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.If, on the other hand, a turbulence-enhanced device known for example from EP 0 794 383 A2 is used Used fuel jet, this produces large drops, with one sufficiently high momentum to get through the air field. These rays however have a small angle of propagation and cause the drops not to spread evenly in all directions.
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.The invention tries to avoid all of these disadvantages. You have the task based on a relatively simple and inexpensive two-stage pressure atomizing nozzle for at least one liquid to be atomized, with which one improved liquid distribution in the outer space of the pressure atomizing nozzle, in particular better fuel distribution in a premix burner can be.
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.According to the invention, this is achieved in that with a device according to
the preamble of
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 Teilkammem 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.This creates a multi-point injection system with at least two outlet openings, which is an adjustment of the atomization quality, the speed as well as the direction of the liquid and thus an adjustment of the atomization and the distribution of the liquid to the respective load condition allowed. The outlet openings, which is only a part of the total liquid mass flow can be made smaller than with a nozzle only one outlet opening is possible. Generate with the same liquid mass flow smaller outlet openings but a much thinner jet of liquid, resulting in smaller droplets with a lower entry depth in the swirl stage to be produced. That is why the application range of the pressure atomizer nozzle advantageously also shifted towards part-load operation. Because the training the partial chamber is reached in the radial direction solely via the deflecting body and the latter as a separate insert for the turbulence and / or swirl chamber is designed in addition to the improved function of the pressure atomizing nozzle also realize a separate production of the deflecting body. Since that too Assembling the deflecting body with the rest of the pressure atomizing nozzle relatively can be done easily, there is ultimately a significantly cheaper nozzle Available.
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. Altemativ 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 Teilkammern realisiert werden.The deflecting body is particularly advantageous at least on the second closure element attached. Such training facilitates the manufacture of the pressure atomizing nozzle in that the second closure element together with the deflecting body can be mounted. Alternatively, the deflection body is located at least on the second closure element of the turbulence and / or swirl chamber and has a press fit to the inner tube. This can also simple manufacture of the pressure atomizer nozzle and a defined position of the Partial chambers can be realized.
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. Another advantageous variant for the arrangement of the deflecting body is that one of the number of sub-chambers between the deflecting body and the inner tube corresponding and connecting the latter in their outer area Number of free spaces is formed and the deflecting body also at least abuts the second closure element of the turbulence and / or swirl chamber. On this way it occurs in each of the free spaces, i.e. in the radially outer area of the sub-chambers, to a parallel and rectified course of the liquid flows neighboring subchambers. However, since the friction between two Currents is smaller than between a current and a solid body, can lower pressure loss and consequently better atomization of the Liquids can be reached. In addition, this arrangement variant is also a simple and therefore inexpensive assembly of the pressure atomizer nozzle is guaranteed.
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.It is also advantageous if the turbulence and / or swirl chamber through the Deflection body is divided into four sub-chambers, the deflection body with an inner, at least approximately centrally arranged and on the connecting channel of the second closure element connecting distribution channel and this distribution channel via each of the turbulence generator channels with each the subchambers is connected. There are also four in the inner tube with the second Feed channel connected swirl channels formed and each eccentrically in a of the sub-chambers arranged.
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.According to this formation of the turbulence stage, the atomizing liquid via the first feed channel and the connecting channel into the distribution channel of the deflecting body and there via the turbulence generator channels evenly distributed across the four subchambers. When initiating the liquid flows the strongly swirled already mentioned arises in the partial chambers Flow that propagates downstream of the outlet openings. To this Wise, with the atomization of the liquid remaining the same, becomes narrower Spray angle of the four resulting liquid sprays realized. Thus, the The depth of penetration of the liquid spray increases and thereby a good radial Distribution of the liquid can be achieved.
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.In the swirl stage, the four are introduced into the subchambers via the swirl channels Partial flows of the liquid to be atomized into a directed swirl flow converted. This alignment also described above the swirl flow is caused by the eccentric injection of the partial flows into the Partial chambers reinforced. The directional swirl flow also settles downstream of the outlet openings, so that even with low liquid flow a sufficiently high pressure drop across these outlet openings for atomization is available. Because of the relatively wide spray cone in the swirl stage the spray has a lower pulse current density and therefore a lower penetration depth. This can result in a high liquid concentration in the center even at partial load the exterior of the nozzle and sufficient liquid evaporation be achieved. This enables stable nozzle operation in the partial load range.
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.Both the turbulence generator channels and the swirl channels are advantageous in arranged upstream of the upstream region of the partial chambers. by virtue of this is an early injection of the liquid into the subchambers reached, so that in the turbulence stage a strongly swirled flow and in the swirl stage can form a directed swirl flow.
Es ist besonders zweckmässig, wenn alle Teilkammern gleich gross ausgebildet sind. Auf diese Weise kann eine gleichmässige Flüssigkeitsverteilung im Aussenraum der Druckzerstäuberdüse gewährleistet werden.It is particularly expedient if all subchambers are of the same size are. In this way, a uniform liquid distribution in the outside space the pressure atomizer nozzle can be guaranteed.
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.According to one embodiment of the invention, the deflecting body is in cross section star-shaped. This creates a streamlined geometry Partial chambers generated, which for a good deflection of the eccentrically entering Liquid and thus for an improvement of the already described above, directional swirl flow.
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.In a further embodiment of the invention, the deflecting body is in cross section double ax-shaped, with two first bars and two at right angles to it arranged, second webs formed. The first two webs run each sickle-shaped, while the two second webs at least approximately each have parallel sides. Two of the swirl channels are at least approximately parallel to each other, one of the two second webs on both sides arranged opening into the subchambers. In this way, a changed one arises Geometry of the sub-chambers with further improved deflection properties for the swirl flow.
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 Teilkammem ausgebildet, deren Austrittsöffnungen jeweils auf das Nachlaufgebiet des ihnen benachbarten Teilkegelkörpers ausgerichtet sind.Finally, the pressure atomizing nozzle is advantageously used with a premix burner connected that the outside space of the pressure atomizing nozzle at the same time is an interior of the premix burner. To do this, there is the premix burner in the essentially of four hollow ones positioned one on top of the other in the flow direction Partial cone bodies with a constant cone half angle β in the direction of flow. The longitudinal symmetry axes of the partial cone bodies are radially offset from one another, so that there are four oppositely flowing, tangential air inlet slots are designed for a combustion air flow. Here is the pressure atomizer nozzle or their nozzle body in the part cone body, arranged hollow cone-shaped interior of the premix burner. Each partial cone body has a wake area downstream. In the turbulence and / or Swirl chamber are formed four sub-chambers, the respective outlet openings aligned to the trailing area of the adjacent partial cone body are.
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.In this embodiment of the invention, the fuel mass flow is over the sub-chambers divided into four equal sub-streams. Because the subchambers each have a smaller outlet opening than that with only one turbulence and / or swirl chamber with a single outlet opening can be realized thus thinner fuel sprays are generated. As a result, smaller ones emerge Fuel droplets, which have a lower penetration depth into the interior of the burner and much faster, i.e. before hitting the inside wall of the Partial cone body, evaporate. Due to the alignment of the outlet openings of the Partial chambers on the side of the partial cone body facing away from the combustion air flow the fuel droplets are exposed to lower aerodynamic forces and are therefore better mixed radially into the combustion air. Ultimately, this results in an even distribution of oil vapor at the burner outlet and thus enables improved combustion.
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.Such a pressure atomizing nozzle or the burner equipped with it can by simply regulating the fuel supply, i.e. by switching from turbulence operation to the swirl operation or to a mixed operation at the full load or Partial load requirements of a gas turbine can be adjusted. The burner can be used throughout Work the load range of the gas turbine in premix mode. At full load are high Penetration depths of the fuel spray possible without causing problems under partial load e.g. comes through wall application of fuel drops. Because the deflector constantly flowed through by the fuel of the turbulence stage and thus cooled cooling of the swirl stage is not necessary during the switching process, so that a fast load change can also be realized. Because of the versatile Switching options between swirl-enhanced and turbulence-enhanced Spray is the solution for most machine and performance conditions applicable.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zweistufigen Druckzerstäuberdüse dargestellt.In the drawing, several embodiments of the invention are based on a two-stage pressure atomizer nozzle shown.
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.
- Fig. 1
- a longitudinal section through a pressure atomizing nozzle of the prior art;
- Fig. 2
- a longitudinal section through a pressure atomizing nozzle according to the invention, in a first embodiment;
- Fig. 3
- a section through the pressure atomizing nozzle along the line III-III in Fig. 2;
- Fig. 4
- a representation analogous to Figure 2, but cut along the line IV-IV in Fig. 3.
- Fig. 5
- an enlarged, perspective view of the turbulence and / or swirl chamber when used as a turbulence stage, shown in Figures 2 and 4, but rotated by 90 °.
- Fig. 6
- a representation of the turbulence and / or swirl chamber analogous to FIG. 5; however when used as a swirl stage;
- Fig. 7
- a representation analogous to Figure 4, but in a second embodiment;
- Fig. 8
- a representation analogous to FIG. 3, but according to the embodiment of FIG. 7;
- Fig. 9
- a premix burner with integrated pressure atomizing nozzle;
- Fig. 10
- a section XX through the premix burner.
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.Only the elements essential for understanding the invention are shown. For example, the combustion chamber receiving the premix burner is not shown and the gas turbine connected to it. The flow direction of the Work equipment is indicated by arrows.
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.The two-stage pressure atomizing nozzle of the prior art shown in FIG
Technology has a
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.With this solution, the two-stage pressure atomizing nozzle or with it
equipped burners by simply regulating the fuel supply, i.e. by
Switch from turbulence mode to swirl mode or to mixed mode
can be adapted to the full load or partial load requirements of a gas turbine.
The supply of liquid fuel as a liquid to be atomized 14 to
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.In contrast, Figures 2 to 6 show a first embodiment of a
pressure atomizing nozzle according to the invention. It is in the turbulence and / or
Die Teilkammern 15 sind stromauf durch den Einsatz 9, stromab durch den Dekkel
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.The
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.As shown in FIG. 2, the
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.In contrast, as shown in FIG. 4, the swirl stage is via the
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.Switching between the turbulence stage and the swirl stage is smooth,
by appropriately loading the first or
connected to the
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 Teilkammem 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.In a second embodiment of the invention (Fig. 7, Fig. 8) is the deflecting
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.Of course, the supply of the
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, hohlen 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.In a further exemplary embodiment of the invention, the
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.The
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.When the
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.At full load of a gas turbine, not shown, connected to a combustion chamber
the pressure atomizing nozzles will each act on the combustion
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.In general, the
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 Teilkegelkörpem realisiert werden (nicht dargestellt).
Ebenso kann der Vormischbrenner nicht kegelig ausgebildet sein
und/oder aus einer Anzahl kreisförmig angeordneter Schaufeln bestehen (ebenfalls
nicht dargestellt). Of course, the
- 11
- Düsenkörpernozzle body
- 22
- Rohr, inneresTube, inner
- 33
- Rohr, äusseresPipe, outer
- 44
- erstes Verschlusselement, Deckelfirst closure element, cover
- 55
- Aussenraumouter space
- 66
- Zuführkanal, ersterFeed channel, first
- 77
- Zuführkanal zweiterFeed channel second
- 88th
- Turbulenz- und/oder DrallkammerTurbulence and / or swirl chamber
- 99
- zweites Verschlusselement, Einsatzsecond closure element, insert
- 1010
- TurbulenzerzeugerkanalTurbulence generator duct
- 1111
- Drallkanalswirl channel
- 1212
- Längsachse, von 1Longitudinal axis, from 1
- 1313
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 1414
- Flüssigkeit, FlüssigbrennstoffLiquid, liquid fuel
- 1515
- Teilkammermember chamber
- 1616
- Umlenkkörperdeflecting
- 1717
- Freiraumfree space
- 1818
- Turbulenzerzeugerkanal, in 16Turbulence Channel, in 16
- 1919
- Verteilkanal, in 16Distribution channel, in 16
- 2020
- Verbindungskanal, in 9Connecting channel, in 9
- 2121
- Brennstoffsprayfuel spray
- 2222
- Steg, ersterFootbridge, first
- 2323
- Steg, zweiterFootbridge, second
- 2424
- Seite, von 23Page of 23
- 2525
- Presspassunginterference fit
- 2626
- Vormischbrennerpremix
- 2727
- BrennerachseBrenner
- 2828
- Teilkegelkörper Partial conical bodies
- 2929
- TeilkegelkörperPartial conical bodies
- 3030
- TeilkegelkörperPartial conical bodies
- 3131
- TeilkegelkörperPartial conical bodies
- 3232
- LufteintrittsschlitzAir inlet slot
- 3333
- VerbrennungsluftstromCombustion air flow
- 3434
- Brennstoffzuleitungfuel supply line
- 3535
- Öffnungopening
- 3636
- Brennstoff, gasförmigerFuel, gaseous
- 3737
- Nachlaufgebietwake region
- 3838
- Nachlaufgebietwake region
- 3939
- Nachlaufgebietwake region
- 4040
- Nachlaufgebietwake region
- 4141
- BrennerinnenwandBrenner inner wall
- 5'5 '
- Innenraum, von 26Interior, from 26
- 28'28 '
- LängssymmetrieachseLongitudinal axis of symmetry
- 29'29 '
- LängssymmetrieachseLongitudinal axis of symmetry
- 30'30 '
- LängssymmetrieachseLongitudinal axis of symmetry
- 31'31 '
- LängssymmetrieachseLongitudinal axis of symmetry
- ββ
- KegelhalbwinkelCone half angle
Claims (14)
- Two-stage pressure-atomizer nozzle for at least one liquid to be atomized, with a nozzle body (1) consisting of an outer tube and of an inner tube, a first supply duct (6) being formed in the inner tube and a second supply duct (7) being formed between the outer and the inner tube, the two supply ducts issuing into a turbulence and/or swirl chamber (8), the latter being delimited relative to an outside space (5) by means of a first closure element (4) and relative to the first supply duct by means of a second closure element (9) and being connected, via at least one connecting duct arranged in the second closure element, to the first supply duct and, via an outlet orifice arranged in the first closure element, to the outside space, characterized in thata) the turbulence and/or swirl chamber (8) has arranged centrally in it a separate deflecting body (16) subdividing the latter into at least two part-chambers (15),b) each part-chamber (15) is connected to the first supply duct (6) via at least one turbulence generator duct (10, 18), to the second supply duct (7) via at least one swirl duct (11) and to the outside space (5) via an outlet orifice (13).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 1, characterized in that the deflecting body (16) is fastened at least to the second closure element (9) of the turbulence and/or swirl chamber (8).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 1, characterized in that the deflecting body (16) bears at least on the second closure element (9) of the turbulence and/or swirl chamber (8) and has a press fit (25) with respect to the inner tube (2).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 1, characterized in that the deflecting body (16) bears at least on the second closure element (9) of the turbulence and/or swirl chamber (8), and a number of free spaces (17) which corresponds to the number of part-chambers (15) and connects the latter in their outer region is formed between the deflecting body (16) and the inner tube (2).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the turbulence and/or swirl chamber (8) has four part-chambers (15), and four swirl ducts (11) connected to the second supply duct (7) are formed in the inner tube (2) and are arranged in each case so as to issue eccentrically into one of the part-chambers (15).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 5, characterized in that the deflecting body (16) is provided with an at least approximately central distribution duct (19) adjoining the connecting duct (20) of the second closure element (9), and this distribution duct (19) is connected to each of the part-chambers (15) in each case via one of the turbulence generator ducts (18).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 5, characterized in that four turbulence generator ducts (10) are arranged in the insert (9) of the inner tube (2), and each turbulence generator duct (10) is connected to one of the part-chambers (15).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 6 or 7, characterized in that both the turbulence generator ducts (10, 18) and the swirl ducts (11) issue into the upstream region of the part-chambers (15).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 8, characterized in that the part-chambers (15) are designed to be of equal size.
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 9, characterized in that the deflecting body (16) has a star-shaped design in cross section.
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 9, characterized in that the deflecting body (16) is designed in the form of a double axe in cross section, with two first webs (22) and with two second webs (23) arranged at right angles to these, the two first webs (22) in each case terminating in a sickle-shaped manner, and the two second webs (23) having in each case at least approximately parallel sides (24).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 10 or 11, characterized in that, in each case, two of the swirl ducts (11) are arranged at least approximately parallel to one another and so as to issue into the part-chambers (15) on both sides of one of the two second webs (23).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the nozzle body (1) is connected to a premixing burner (26), and the outside space (5) is at the same time an inner space (5') of the premixing burner (26).
- Two-stage pressure-atomizer nozzle according to Claim 13, characterized in thata) four part-chambers (15) are formed in the turbulence and/or swirl chamber (8),b) the premixing burner (26) consists essentially of four hollow part-conical bodies (28, 29, 30, 31) positioned one on the other in the direction of flow and having a cone half-angle β which is constant in the direction of flow, the longitudinal axes of symmetry. (28', 29', 30', 31') of the said part-conical bodies running so as to be radially offset to one another, so that four flow-opposed tangential air inlet slits (32) for a combustion-air stream (33) are formed,c) the nozzle body (1) is arranged in the hollow-conical inner space (5') of the premixing burner (26), the said inner space being formed by the part-conical bodies (28, 29, 30, 31),d) a wake zone (37, 38, 39, 40) is formed downstream of each part-conical body (28, 29, 30, 31), and the outlet orifices (13) of the part-chambers (15) are aligned in each case with the wake zone (37, 38, 39, 40) of the part-conical body (28, 29, 30, 31) adjacent to them.
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