EP0924461B1

EP0924461B1 - Zweistufige Druckzerstäuberdüse

Info

Publication number: EP0924461B1
Application number: EP97811008A
Authority: EP
Inventors: Peter Dubach; Jonathan Lloyd; Thomas Prof. Dr. Sattelmayer; Christian Dr. Steinbach
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2003-04-16
Anticipated expiration: 2017-12-22
Also published as: DE59709868D1; EP0924461A1; JP4240617B2; US6036479A; JPH11257662A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Druckzerstäuberdüse gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welche beispielsweise in den Vormischbrennem 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 mit Brennstoff angereichertes 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 und ein Rückschlagen der Flamme 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 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, die Druckzerstäuberdüse einen das Aussenund das Innenrohr stromab miteinander verbindenden Düsenkopf aufweist und im Düsenkopf zumindest zwei separate Turbulenz- und/oder Drallkammem angeordnet sind. Jede dieser Turbulenz- und/oder Drallkammern ist über zumindest einen Drallkanal mit dem zweiten Zuführkanal, über zumindest einen Turbulenzerzeugerkanal mit dem ersten Zuführkanal und über eine Austrittsöffnung mit dem Aussenraum des Düsenkörpers verbunden.

Dadurch entsteht ein Mehrpunkt-Einspritzsystem mit zumindest zwei Austrittsöffnungen, welches eine Veränderung 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 jeweils nur 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 in der Drallstufe jedoch einen wesentlich dünneren Flüssigkeitsfilm, wodurch in der Drallstufe kleinere Tröpfchen mit geringerer Eintrittstiefe produziert werden. Deshalb wird das Einsatzspektrum der Druckzerstäuberdüse vorteilhaft auch in Richtung Teillastbetrieb verschoben.

Der Düsenkörper sowie die Turbulenz- und/oder Drallkammem besitzen jeweils eine Mittelachse. Die Mittelachsen der Turbulenz- und/oder Drallkammern sind radial versetzt zur Mittelachse des Düsenkörpers, vorzugsweise sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung schräg zur Mittelachse des Düsenkörpers angeordnet. Generell kann dadurch eine bessere Flüssigkeitsverteilung über grosse Querschnittsflächen erzielt werden. Bei der Auslegung der Druckzerstäuberdüse werden die radiale Versetzung und die Schrägstellung der Mittelachsen der Turbulenz- und/oder Drallkammem zur Mittelachse des Düsenkörpers an die gewünschten Eindüsrichtungen der sich ausbildenden Sprays angepasst.

Zwischen dem ersten Zuführkanal und jeder der Turbulenz- und/oder Drallkammern ist ein den zumindest einen Turbulenzerzeugerkanal aufnehmender Verschlussdeckel angeordnet. Dadurch wird eine relativ einfache Fertigung der Turbulenz- und/oder Drallkammern gewährleistet, welche beispielsweise durch Fräsen oder Bohren in den Düsenkopf eingebracht und mittels der anschliessend zu montierenden Verschlussdeckel stromauf abgedeckt werden. Durch die Anordnung des Turbulenzerzeugerkanals im äusseren Bereich des jeweiligen Verschlussdeckels, kann eine erhöhte Turbulenz der verwendeten Flüssigkeit und damit ein feineres Spray erreicht werden.

Zudem mündet der erste Zuführkanal in ein erstes, stromauf der Verschlussdeckel ausgebildetes Plenum, während zwischen dem zweiten Zuführkanal sowie den mit ihm verbundenen Drallkanälen ein zweites, umlaufendes Plenum ausgebildet ist. Dadurch können alle Turbulenz- und/oder Drallkammern vorteilhaft mit nur einer ersten und nur einer zweiten Zuführleitung versehen werden, was einen sehr kompakt ausgebildeten Düsenkörper ermöglicht. Besonders vorteilhaft besitzt das erste Plenum einen grösseren Querschnitt als der dieses beaufschlagende Zuführkanal, wodurch eine gleichmässigere Flüssigkeitsbeaufschlagung der Turbulenzund/oder Drallkammern erreicht wird. Mit dem gleichen Vorteil sind die Querschnitte der beiden Plenen auch grösser als die Summe der Querschnitte der von ihnen beaufschlagten Turbulenzerzeuger- bzw. Drallkanäle ausgebildet.

Es ist besonders zweckmässig, wenn alle Turbulenz- und/oder Drallkammern gleich gross ausgebildet sind. Auf diese Weise kann eine gleichmässige Flüssigkeitsverteilung im Aussenraum des Düsenkörpers gewährleistet werden.

Zudem ist der Düsenkopf in seinem stromabwärtigen Bereich halbkugelförmig ausgebildet. Dadurch kann dem Entstehen eines sogenannten Totwassergebietes im Nachlauf der Düse und somit eventuellen, mit Tröpfchenablagerungen verbunden Strömungsablösungen entgegengewirkt werden. In diese halbkugelförmige Kontur des Düsenkopfes sind Ausnehmungen eingebracht, wobei jede Austrittsöffnung in eine der Ausnehmungen mündet und jede Ausnehmung rechtwinklig zur in sie einmündenden Austrittsöffnung angeordnet ist. Aufgrund dieser Gestaltung des Austrittsbereiches kann die Flüssigkeitsverteilung im Aussenraum des Düsenkörpers weiter verbessert werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Düsenkörper so mit einem Vormischbrenner verbunden, dass sein Aussenraum gleichzeitig ein Innenraum des Vormischbrenners ist. Der Vormischbrenner besteht 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 der Düsenkörper im durch die kegeligen Teilkörper gebildeten, hohlkegelförmigen Innenraum des Vormischbrenners angeordnet. Stromab jedes Teilkegelkörpers ist ein Nachlaufgebiet des Teilkegelkörpers ausgebildet. Im Düsenkopf der Druckzerstäuberdüse sind vier Turbulenzund/oder Drallkammern angeordnet, deren Austrittsöffnungen auf das Nachlaufgebiet des jeweils benachbarten Teilkegelkörpers ausgerichtet sind.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff-Massenstrom über die Turbulenz- und/oder Drallkammern in vier gleiche Teilströme aufgeteilt. Da die Turbulenz- und/oder Drallkammern jeweils eine kleinere Austrittsöffnung aufweisen, als das bei nur einer Turbulenz- und/oder Drallkammer mit einer einzigen Austrittsöffnung realisierbar ist, kann somit ein dünnerer Brennstoffspray 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 Turbulenz- und/oder Drallkammern auf die Nachlaufgebiete der Teilkegelkörper, sind die Brennstofftröpfchen geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt und können somit besser in radialer Richtung in die Verbrennungsluft eindringen. Letztlich wird dadurch am Ausgang des Brenners eine gleichmässige Flüssigbrennstoffdampfverteilung 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 Mischbetrieb an den Vollast- oder Teillastbedarf angepasst werden. 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 zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zweistufigen Druckzerstäuberdüse dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1: die Druckzerstäuberdüse in perspektivischer Darstellung;
Fig. 2: eine Draufsicht auf die Druckzerstäuberdüse, gemäss Fig. 1;
Fig. 3: einen Schnitt durch die Druckzerstäuberdüse, entlang der Linie III-III in Fig. 2, verkleinert dargestellt;
Fig. 4: einen Schnitt durch die Druckzerstäuberdüse, entlang der Linie IV-IV in Fig. 2, verkleinert dargestellt;
Fig. 5: einen Schnitt durch die Druckzerstäuberdüse, entlang der Linie V-V in Fig. 2, verkleinert dargestellt;
Fig. 6: eine Ansicht der Druckzerstäuberdüse, gemäss Fig. 1, jedoch von unten;
Fig. 7: einen Vormischbrenner mit integrierter Druckzerstäuberdüse;
Fig. 8: einen Schnitt VIII-VIII durch den Vormischbrenner, gemäss Fig. 7.

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 Druckzerstäuberdüse besitzt einen Düsenkörper 1, welcher aus einem Aussenrohr 2 sowie einem Innenrohr 3 besteht und stromab von einem Düsenkopf 4 abgeschlossen wird (Fig. 1, Fig. 2). Im Innenrohr 3 ist ein erster Zuführkanal 5 und zwischen dem Aussenrohr 2 sowie dem Innenrohr 3 ein zweiter Zuführkanal 6 für zumindest einen Flüssigbrennstoff 7 ausgebildet. Stromauf des Düsenkopfes 4 ist zwischen dem Innenrohr 3 und dem Aussenrohr 2 ein zur Stabilisierung dienender Abstandhalter 8 angeordnet. Der Düsenkopf 4 nimmt vier gleich grosse Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 auf. Natürlich können die Turbulenzund/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 bei entsprechenden Einsatzbedingungen auch eine unterschiedliche Grösse aufweisen (nicht dargestellt), wobei jedoch darauf zu achten ist, dass stets eine symmetrische Eindüsung erfolgt.

Sowohl die Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 als auch der Düsenkörper 1 besitzen jeweils eine Mittelachse 9', 10', 11', 12', 13, wobei die Mittelachsen 9', 10', 11', 12' der Turbulenz- und/oder Drallkammem 9, 10, 11, 12 sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung schräg zur Mittelachse 13 des Düsenkörpers 1 angeordnet sind. Dabei schneidet eine gedachte Ebene durch die Mittelachse 13 des Düsenkörpers 1 die gedachten Ebenen durch die Mittelachsen 9', 10', 11', 12' der Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 im Inneren des Düsenkopfes 4 sowohl in einem radialen als auch in einem tangentialen Winkel (Fig. 3). Die Lage der Turbulenz- und/oder Drallkammem 9, 10, 11, 12 im Inneren des Düsenkopfs 4 wird auch in den Figuren 4 und 5 entsprechend den in Figur 2 bezeichneten Schnitten dargestellt. Bei einer konkreten Druckzerstäuberdüse richtet sich die Schrägstellung der Mittelachsen 9', 10', 11', 12' zur Mittelachse 13 des Düsenkörpers 1 nach den gewünschten Eindüsrichtungen der sich ausbildenden Brennstoffsprays 37. Entsprechend den konkreten Einsatzbedingungen der Druckzerstäuberdüse können die Mittelachsen 9', 10', 11', 12' der Turbulenzund/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 daher auch lediglich parallel versetzt zur Mittelachse 13 des Düsenkörpers 1 angeordnet sein.

Jede der Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 ist mittels eines Verschlussdeckels 14 zum ersten Zuführkanal 5 abgeschlossen. Im äusseren Bereich jedes Verschlussdeckels 14 sind zwei Turbulenzerzeugerkanäle 15 angeordnet, welche die jeweilige Turbulenz- und/oder Drallkammer 9, 10, 11, 12 mit dem ersten Zuführkanal 5 verbinden. Zudem sind die Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 über jeweils einen Drallkanal 16 mit dem zweiten Zuführkanal 6 (Fig. 1, Fig. 2) und über jeweils eine Austrittsöffnung 17 mit einem Aussenraum 18 verbunden (Fig. 3, Fig. 6). Der Düsenkörper 1 besitzt somit vier Austrittsöffnungen 17, die jeweils nur ein Viertel des gesamten Brennstoff-Massenstroms durchlassen. Sie sind dazu kleiner ausgebildet, als eine den gesamten Massenstrom aufnehmende Einzellochdüse und produzieren bei ähnlichen Flüssigbrennstoffdrücken kleinere Tröpfchen.

In seinem stromabwärtigen Bereich ist der Düsenkopf 4 halbkugelförmig ausgebildet, wobei jede Austrittsöffnung 17 in eine in die halbkugelförmige Kontur des Düsenkopfes 4 eingebrachte Ausnehmung 19 mündet und jede Ausnehmung 19 rechtwinklig zu der jeweils in sie einmündenden Austrittsöffnung 17 angeordnet ist. Natürlich ist auch jede andere strömungsgünstige Ausbildung des stromabwärtigen Bereichs des Düsenkopfes 4 geeignet, beispielsweise eine elliptische Form.

Stromauf der Verschlussdeckel 14 ist ein erstes Plenum 20 ausgebildet, in welches der erste Zuführkanal 5 mündet. Das erste Plenum 20 besitzt einen grösseren Querschnitt als der dieses beaufschlagende Zuführkanal 5. Zwischen dem zweiten Zuführkanal 6 und den mit ihm verbundenen Drallkanälen 16 ist ein zweites, umlaufendes Plenum 21 ausgebildet. Die Querschnitte der beiden Plenen 20, 21 sind grösser ausgebildet als die Summe der Querschnitte der von ihnen beaufschlagten Turbulenzerzeugerkanäle 15 bzw. Drallkanäle 16. Somit ist ein kompakter Düsenkörper 1 realisiert, welcher aus vier Teildüsen mit jeweils einer Turbulenz- sowie einer Drallstufe, mit einer gemeinsamen Geometrie und mit einem einheitlichen Durchmesser besteht.

Die Zufuhr des Flüssigbrennstoffs 7 zum Düsenkörper 1 erfolgt auf an sich bekannte Weise über nicht gezeigte Leitungen, wie beispielsweise in der EP 0 794 383 A2 dargestellt und beschrieben.

Beim Betrieb der Turbulenzstufe gelangt der Flüssigbrennstoff 7 über den ersten Zuführkanal 5 in das erste Plenum 20. Von dort aus wird er durch die Turbulenzerzeugerkanäle 15 der Verschlussdeckel 14 als eine turbulente Strömung in die jeweilige Turbulenz- und/oder Drallkammer 9, 10, 11, 12 eingeleitet. Aufgrund des gegenüber dem ersten Zuführkanal 5 vergrösserten Querschnittes des ersten Plenums 20 wird eine relativ gleichmässige Flüssigkeitsbeaufschlagung der Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 erreicht. Anschliessend erfolgt das Eindüsen des Flüssigbrennstoffs 7 in den Aussenraum 18, über die Austrittsöffnungen 17 der Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12. Dabei erzeugen die Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 vier gleich grosse Brennstoffsprays 37 mit einer verbesserten Tröpfchenverteilung. Aufgrund der rechtwinklig zur jeweiligen Ausnehmung 19 erfolgenden Eindüsung des Flüssigbrennstoffs 7 in den Aussenraum 18 werden kreisförmige Brennstoffsprays 37 ausgebildet, was die Brennstoffverteilung weiter verbessert.

Demgegenüber wird die Drallstufe über den zweiten Zuführkanal 6 mit Flüssigbrennstoff 7 beaufschlagt. Letzterer gelangt zunächst in das zweite Plenum 21 und wird schliesslich von dort aus gleichmässig über die tangentialen Drallkanäle 16 auf die Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 aufgeteilt.

Natürlich ist im Teillastbereich auch eine Kombination von teilweise turbulenzverstärktem Betrieb und teilweisem Drallbetrieb möglich. In diesem Fall trägt die Anordnung der Turbulenzerzeugerkanäle 15 im äusseren Bereich der Verschlussdeckel 14, d.h. nahe der Seitenwände der Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 dazu bei, dass sich das nicht dargestellte Flüssigbrennstoff-Vollkegelspray gleichmässig ausbildet und somit die Verteilung der Brennstofftröpfchen weiter verbessert wird.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Düsenkörper 1 so mit einem Vormischbrenner 22 verbunden, dass der Aussenraum 18 des Düsenkörpers 1 gleichzeitig ein Innenraum 18' des Vormischbrenners 22 ist (Fig. 7). Der Vormischbrenner 22 ist ein kegelförmiges Gebilde und besteht im wesentlichen aus vier aufeinander positionierten, hohlen Teilkegelkörpem 23, 24, 25, 26 mit einem in Strömungsrichtung konstanten Kegelhalbwinkel β zur Brennerachse 27. Im engsten Querschnitt des durch die Teilkegelkörper 23, 24, 25, 26 gebildeten, hohlkegelförmigen Innenraumes 18' des Vormischbrenners 22 ist der Düsenkörper 1 angeordnet. Analog der Figuren 1 bis 6 weist der Düsenkörper 1 vier Turbulenzund/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 mit jeweils einer Austrittsöffnung 17 auf.

Die Teilkegelkörper 23, 24, 25, 26 besitzen jeweils eine Längssymmetrieachse 23', 24', 25', 26'. Letztere verlaufen radial versetzt zueinander, so dass vier strömungsmässig entgegengesetzte, tangentiale Lufteintrittsschlitze 28 für einen Verbrennungsluftmassenstrom 29 ausgebildet werden (Fig. 8). Zudem weisen die Teilkegelkörper 23, 24, 25, 26 längs der Lufteintrittsschlitze 28 je eine Zuleitung 30 auf, welche längsseitig mit Öffnungen 31 zur Zufuhr eines gasförmigen Brennstoffs 32 in den Innenraum 18' des Vormischbrenners 22 versehen sind (Fig. 7). Dieser Brennstoff 32 wird bei Bedarf dem durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 28 in den Innenraum 18' eingeführten Verbrennungsluftmassenstrom 29 zugemischt. Ein Mischbetrieb des Vormischbrenners 22 über die Druckzerstäuberdüse und die Zuleitungen 30 ist möglich.

Beim Betrieb des Vormischbrenners 22 über die Druckzerstäuberdüse wird, in Abhängigkeit sowohl von der Materialdicke seiner Teilkegelkörper 23, 24, 25, 26 als auch von der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluftmassenströme 29, stromab jedes Teilkegelkörpers 23, 24, 25, 26 zwangsläufig ein Nachlaufgebiet 33, 34, 35, 36 ausgebildet, in dem deutlich geringere aerodynamische Kräfte herrschen als in den benachbarten Bereichen des Innenraums 18'. Jede der vier Austrittsöffnungen 17 der Turbulenz- und/oder Drallkammern 9, 10, 11, 12 ist auf eines der Nachlaufgebiete 33, 34, 35, 36 der Teilkegelkörper 23, 24, 25, 26 ausgerichtet. Dadurch wird der Flüssigbrennstoff 7 in Form von vier separaten Brennstoffsprays 37 über die Austrittsöffnungen 17 in den Innenraum 18' des Vormischbrenners 22, genauer in die Nachlaufgebiete 33, 34, 35, 36 der Teilkegelkörper 23, 24, 25, 26 des Vormischbrenners 22, eingedüst. Infolge dieser Ausrichtung der Brennstoffsprays 37 sind die Brennstofftröpfchen geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt und werden dementsprechend besser radial in die Verbrennungsluftmassenströme 29 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 22 nahezu vollständig über ihre Turbulenzstufe betrieben. Dadurch werden Brennstoffsprays 37 mit kleinen, zu den Brennerinnenwänden 38 ausgerichtete Winkeln und mit grossen Tröpfchen-Impulsen erzeugt. Diese Brennstofftröpfchen dringen in das sie umgebende, vom Verbrennungsluftmassenstrom 29 gebildete Luftfeld ein und erreichen so in grosser Anzahl die äusseren Bereiche des Innenraums 18' des Vormischbrenners 22. Auf diese Weise kann schliesslich am Brennerausgang ein gleichmässiges Brennstoff-Dampfprofil ausgebildet werden.

Im allgemeinen wird bei Teillast der Verbrennungsluftmassenstrom 29 und damit auch dessen Impuls verringert, was die Notwendigkeit eines geringeren Brennstoff-Massenstroms, eines geringeren Spray-Impulses und daher kleinere Brennstofftröpfchen hervorruft. Daher wird die jeweilige Drallstufe der Druckzerstäuberdüsen in diesem Betriebszustand der Gasturbine stärker beaufschlagt als die Turbulenzstufe. Ein steigendes Drallverhältnis reduziert allmählich und automatisch den Massenstrom des Flüssigbrennstoffs 7. Weil zudem die Drallstufe einen geringeren Massenstrom als die Turbulenzstufe realisiert, sinkt die Brennstoffmenge des Flüssigbrennstoffs 7 entsprechend. Um ein Anwachsen der Tröpfchengrösse und damit das Auftreffen der Brennstofftröpfchen auf die Brennerinnenwände 38 zu verhindern wird von der Turbulenzstufe in Richtung Drallstufe übergegangen. Dagegen wird bei sinkender Last der Gasturbine, d.h. bei weiter abnehmendem Einfluss des Verbrennungsluftmassenstroms 29, durch den Übergang auf einen vollständigen Drallbetrieb, eine weitere Verringerung der Tröpfchengrösse des Flüssigbrennstoffs 7 erreicht.

Natürlich kann der Vormischbrenner, 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 22 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: Aussenrohr
3: Innenrohr
4: Düsenkopf
5: Zuführkanal, erster
6: Zuführkanal, zweiter
7: Flüssigbrennstoff
8: Abstandhalter
9: Turbulenz- und/oder Drallkammer
10: Turbulenz- und/oder Drallkammer
11: Turbulenz- und/oder Drallkammer
12: Turbulenz- und/oder Drallkammer
13: Mittelachse, von 1
14: Verschlussdeckel
15: Turbulenzerzeugerkanal
16: Drallkanal
17: Austrittsöffnung
18: Aussenraum von 1
19: Ausnehmung
20: Plenum, erstes
21: Plenum, zweites
22: Vormischbrenner
23: Teilkegelkörper
24: Teilkegelkörper
25: Teilkegelkörper
26: Teilkegelkörper
27: Brennerachse
28: Lufteintrittsschlitz
29: Verbrennungstuftmassenstrom
30: Zuleitung
31: Öffnung
32: Brennstoff, gasförmiger
33: Nachlaufgebiet, von 23
34: Nachlaufgebiet, von 24
35: Nachlaufgebiet, von 25
36: Nachlaufgebiet, von 26
37: Brennstoffspray, Spray
38: Brennerinnenwand
9': Mittelachse, von 9
10': Mittelachse, von 10
11': Mittelachse, von 11
12': Mittelachse, von 12
18': Innenraum von 22
23': Längssymmetrieachse, von 23
24': Längssymmetrieachse, von 24
25': Längssymmetrieachse, von 25
26': Längssymmetrieachse, von 26
β: Kegelhalbwinkel

Claims

Zweistufige Druckzerstäuberdüse für zumindest eine zu zerstäubende Flüssigkeit, mit einem aus einem Aussenrohr (2) und einem Innenrohr (3) bestehenden Düsenkörpeper (1), wobei im Innenrohr ein erster Zuführkanal (5) und zwischen dem Aussenrohr sowie dem Innenrohr ein zweiter Zuführkanal (6) ausgebildet ist, beide Zuführkanäle in eine Turbulenz- und/oder Drallkammer (9, 10, 11, 12) münden und letztere über eine Austrittsöffnung (17) mit einem Aussenraum (18) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Düsenkörper (1) einen das Aussen- und das Innenrohr (2, 3) stromab miteinander verbindenden Düsenkopf (4) aufweist,

b) im Düsenkopf (4) zumindest zwei separate Turbulenz- und/oder Drallkammern (9, 10, 11, 12) angeordnet sind,

c) jede der Turbulenz- und/oder Drallkammern (9, 10, 11, 12) über zumindest einen Drallkanal (16) mit dem zweiten Zuführkanal (6), über zumindest einen Turbulenzerzeugerkanal (15) mit dem ersten Zuführkanal (5) und über eine Austrittsöffnung (17) mit dem Aussenraum (18) verbunden ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) sowie die Turbulenz- und/oder Drallkammern (9, 10, 11, 12) jeweils eine Mittelachse (13, 9', 10', 11', 12') besitzen, die Mittelachsen (9', 10', 11', 12') der Turbulenz- und/oder Drallkammern (9, 10, 11, 12) radial versetzt zur Mittelachse (13) des Düsenkörpers (1), vorzugsweise sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung schräg zur Mittelachse (13) des Düsenkörpers (1) angeordnet sind.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Turbulenz- und/oder Drallkammer (9, 10, 11, 12) und dem ersten Zuführkanal (5) ein den zumindest einen Turbulenzerzeugerkanal (15) aufnehmender Verschlussdeckel (14) angeordnet ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Turbulenzerzeugerkanal (15) im äusseren Bereich des jeweiligen Verschlussdeckels (14) angeordnet ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zuführkanal (5) in ein stromauf der Verschlussdeckel (14) ausgebildetes, erstes Plenum (20) mündet und zwischen dem zweiten Zuführkanal (6) sowie den mit ihm verbundenen Drallkanälen (16) ein zweites, umlaufendes Plenum (21) ausgebildet ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Plenum (20) einen grösseren Querschnitt als der dieses beaufschlagende Zuführkanal (5) besitzt.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des ersten Plenums (20) grösser ist als die Summe der Querschnitte der Turbulenzerzeugerkanäle (15) und der Querschnitt des zweiten Plenums (21) grösser ist als die Summe der Querschnitte der Drallkanäle (16).
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Turbulenz- und/oder Drallkammern (9, 10, 11, 12) gleich gross ausgebildet sind.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (4) in seinem stromabwärtigen Bereich halbkugelförmig ausgebildet und in die halbkugelförmige Kontur des Düsenkopfes (4) eine der Anzahl der Austrittsöffnungen (17) entsprechende Anzahl von Ausnehmungen (19) eingebracht ist, wobei jede Austrittsöffnung (17) in eine der Ausnehmungen (19) mündet und jede Ausnehmung (19) rechtwinklig zu der jeweils in sie einmündenden Austrittsöffnung (17) angeordnet ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) mit einem Vormischbrenner (22) verbunden und der Aussenraum (18) des Düsenkörpers (1) gleichzeitig ein Innenraum (18') des Vormischbrenners (22) ist.
Zweistufige Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass

a) im Düsenkopf (4) vier Turbulenz- und/oder Drallkammern (9, 10, 11, 12) angeordnet sind,

b) der Vormischbrenner (22) im wesentlichen aus vier in Strömungsrichtung aufeinander positionierten, hohlen Teilkegelkörpern (23, 24, 25, 26) mit einem in Strömungsrichtung konstanten Kegelhalbwinkel β besteht, deren Längssymmetrieachsen (23', 24', 25', 26') radial versetzt zueinander verlaufen, so dass vier strömungsmässig entgegengesetzte, tangentiale Lufteintrittsschlitze (28) für einen Verbrennungsluftmassenstrom (29) ausgebildet sind,

c) der Düsenkörper (1) im durch die Teilkegelkörper (23, 24, 25, 26) gebildeten, hohlkegelförmigen Innenraum (18') des Vormischbrenners (22) angeordnet ist,

d) stromab jedes Teilkegelkörpers (23, 24, 25, 26) ein Nachlaufgebiet (33, 34, 35, 36) ausgebildet ist, und

e) jede Austrittsöffnung (17) der Turbulenz- und/oder Drallkammern (9, 10, 11, 12) auf das Nachlaufgebiet (33, 34, 35, 36) des ihr benachbarte Teilkegelkörpers (23, 24, 25, 26) ausgerichtet ist.