EP0971792A2 - Düse, verwendung einer düse und verfahren zur eindüsung eines ersten fluids in ein zweites fluid - Google Patents

Düse, verwendung einer düse und verfahren zur eindüsung eines ersten fluids in ein zweites fluid

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EP0971792A2
EP0971792A2 EP98925398A EP98925398A EP0971792A2 EP 0971792 A2 EP0971792 A2 EP 0971792A2 EP 98925398 A EP98925398 A EP 98925398A EP 98925398 A EP98925398 A EP 98925398A EP 0971792 A2 EP0971792 A2 EP 0971792A2
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EP
European Patent Office
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channel
nozzle
fluid
mouth
center line
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Carsten Tiemann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl
    • B05B1/3405—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl
    • B05B1/341—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet
    • B05B1/3478—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet the liquid flowing at least two different courses before reaching the swirl chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl
    • B05B1/3405—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl
    • B05B1/341—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet
    • B05B1/3421—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber

Definitions

  • Nozzle use of a nozzle, and method of injecting a first fluid into a second fluid
  • the invention relates to a nozzle for injecting a first fluid into a second fluid, the use of such a nozzle and a method for injecting a first fluid into a second fluid.
  • DE 32 35 080 AI describes a return injection nozzle in which two opposite liquid feeds open tangentially into a circular cylindrical swirl space.
  • An injection channel is connected to the swirl chamber on the one hand and a return bore is connected on the other hand.
  • the return injection nozzle is particularly suitable for the atomization of liquid fuel in gas turbine combustion chambers. Atomization is achieved in that fuel flows tangentially into the swirl chamber and is combined to form a main stream, a swirl being given to the main stream by a circular guide in the swirl chamber, which swirl is maintained in the injection channel, so that the fuel jet exits when the fuel emerges the injection channel fanned out conically. On the other hand, fuel is returned via the return hole. While maintaining a constant fuel flow to the return injector, the amount of fuel injected is controlled by adjusting the amount of fuel returned. An atomizer with return flow control also emerges from DD 22 076.
  • Swirl chamber is connected via a nozzle bore to an outside space in which the liquid to be atomized emanates.
  • the liquid to be atomized can be fed to the swirl chamber via a first feed channel.
  • the first feed channel is realized through a narrow bore, which creates turbulence.
  • the first feed channel is therefore also referred to as a turbulence atomizer stage.
  • Liquid to be atomized can also be supplied to the swirl chamber under pressure and with a swirl via a second supply channel.
  • the nozzle can be adapted to different operating conditions by adapting the liquid mass flows flowing through the first or through the second channel. In particular, when used in a gas turbine burner, a nozzle pre-pressure adapted to the nominal load conditions can be generated. Depending on the load, the spray cone angle and thus the degree of atomization can be adjusted.
  • DE 44 40 681 C2 shows a spray nozzle, in particular for
  • US Pat. No. 5,035,364 shows a device for preventing conglomerate formation of solid particles flowing in a fluid stream.
  • fluid is admixed to the fluid stream through injection channels that open laterally, so that vortex formation in the main stream results.
  • the object of the invention is to provide a nozzle for injecting a first fluid into a second fluid. Further tasks are to specify the use of such a nozzle and a method for injecting a first fluid into a second fluid.
  • the object directed to a nozzle for injecting a first fluid into a second fluid is achieved by a nozzle with a nozzle body in which the first fluid is feasible, wherein a first channel directed along a first center line is provided in the nozzle body, into which a second channel directed along a second center line opens at an opening, the first and second channels before the opening being connected in parallel in terms of flow technology, and wherein the second center line at the mouth has a tangent that is spaced from the first center line.
  • a center line of a channel is to be understood as the line that results from the totality of the focal points of each cross-sectional area of the channel.
  • a tangent to the second center line at the mouth is the tangent to the second center line in that
  • the mouth area is the area enclosed by the edge of the wall of the second channel ending at the mouth.
  • the expression "connected in parallel in terms of flow technology” can be seen in analogy to an electrical circuit.
  • the first channel corresponds to an electrical line, which is connected in parallel to a second electrical line, which corresponds to the second channel, until an interconnection of the two lines.
  • the first and the second channel serve to guide separate partial streams of the first fluid, which are combined at the mouth. These partial currents correspond to electrical currents through the two lines before they are interconnected.
  • the throwing distance is the length that the jet travels from the nozzle outlet in its main direction of flow when it emerges from the nozzle. Due to the essentially maintained throw range and the simultaneous spreading of the beam by the swirl, it is in particular possible to obtain a thorough mixing of the first fluid with the second fluid over the entire throw range. This is particularly important when injecting fuel as the first fluid in combustion air as the second fluid. Such an injection is used for example in a burner of a gas turbine. A fine distribution of fuel and combustion air results in a uniform combustion temperature and thus low nitrogen oxide formation.
  • the nozzle body is preferably directed along a nozzle axis, the first channel leading along the nozzle axis.
  • the center line of the first channel coincides with the nozzle axis.
  • a fluid flow flowing in the first channel is thus a straight flow with a high impulse in the flow direction.
  • the first channel has a main cross-sectional area and the second channel has a secondary cross-sectional area that is smaller than the main cross-sectional area.
  • a lower mass flow of the first fluid flows in the second channel than in the first channel.
  • the momentum of the partial flow of the first fluid flowing in the first channel is essentially maintained even when a partial flow of the first fluid flowing in the second channel flows, whereby the achievable throwing distance is essentially maintained.
  • the mouth has a largest mouth diameter, the first channel extending downstream of the mouth over at least such a length that a partial flow of the first fluid in the first channel with a partial flow of the first fluid from the second channel to a single, at the outlet main stream not splitting from the nozzle, but at most over a length over which a swirl of the main stream is still retained, in particular over a length three to four times the largest mouth diameter.
  • the first channel which is connected in parallel with the second channel, preferably forms an angle between 5 ° and 90 °, in particular between 35 ° and 55 °, at the mouth with the second channel.
  • Such an inflow angle on the one hand gives a particularly good swirl to a partial flow of the first fluid flowing in the first channel.
  • a pulse directed in the direction of flow of the second partial flow of the first fluid flowing in the second channel is transmitted at the same time, so that there is only a small additional flow resistance at the mouth resulting from the combination of the partial flows.
  • the first channel more preferably has an approximately circular cross section, the second channel opening essentially tangentially into the first channel.
  • Tangential means that there is a common tangent to the surface of the first and second channels in a plane that divides the mouth and is directed perpendicular to the first center line. A such a tangential junction causes a particularly large swirl transmission to a partial flow of the first fluid flowing in the first channel.
  • a third channel preferably opens into the first channel at an additional mouth, the additional mouth lying opposite the mouth with respect to the center line of the first channel.
  • the direction of flow of a partial flow of the first fluid flowing in the third channel is approximately opposite to the direction of flow of a partial flow of the first fluid flowing in the second channel.
  • a further channel arranged in this way increases the swirl transfer to a fluid flow flowing in the first channel and leads to a more uniform distribution of the first fluid over the circumference of the spray cone which forms when the first fluid emerges from the nozzle.
  • each channel is designed as a circularly symmetrical bore.
  • the nozzle body preferably has an outer surface which is at least partially designed as a thread. A nozzle body designed in this way enables easy installation of the nozzle e.g. into a burner by simply screwing in the nozzle body.
  • the nozzle is preferably used to inject fuel into combustion air in a burner, in particular in a premix burner of a gas turbine.
  • the first fluid is fuel and the second fluid is combustion air.
  • a premix burner is characterized in particular by the fact that fuel and combustion air are first mixed and only then fed to a combustion. The principle of a premix burner is described in the article "Progress in Nox and CO Emission Reduction of Gas Turbines", H. Maghon, P. Berenbrink, H. Termühlen and G. Gärtner, ASME / IEEE Power Generations Conference, Boston 1990, whereupon herewith explicit reference is made.
  • the object directed to a method is achieved according to the invention by a method for injecting a first fluid into a second fluid, the first fluid being guided along a first center line in a first part stream and along a second center line in a second part stream, the second partial stream is combined with the first partial stream in such a way that a swirl is imparted to the first partial stream by the combination. This results in a swirled main stream which is combined from the first partial stream and the second partial stream.
  • Such a combination of two partial streams results in a swirling main stream.
  • a swirl as already explained in more detail above, fuses the main stream emerging from the nozzle. This fanning out in turn leads to a thorough mixing of the first fluid with the second fluid.
  • the first partial flow and the second partial flow are preferably brought together at an angle between 5 and 90, in particular between 35 and 55.
  • the first fluid is preferably fuel and the second fluid is combustion air, the fuel being conducted in a nozzle of a burner, in particular a premix burner of a gas turbine, and being injected into the combustion air.
  • FIG. 1 shows a side view of a nozzle in the air duct of a premix burner
  • FIG. 2 shows a cross section through the nozzle of Figure 1 and 3 shows a side view of a further embodiment of a nozzle.
  • FIG. 1 shows a side view of a nozzle 1 installed in an air duct 12 of a premix burner (not shown further).
  • the air duct 12 is not shown to scale.
  • a nozzle body 2 is directed along an axis 2a and consists of a cylindrical head part 2b with an end face 2e and a likewise cylindrical, approximately equally long screw part 2c with an external thread 7, with which the nozzle 1 is screwed into a wall 12b of the air duct 12 and an end face 2d.
  • the screw part 2c has approximately 2/3 of the diameter of the
  • the screw part 2c adjoins the head part 2b on a foot surface 2f of the head part 2b.
  • the thread 7 has slots 7a, 7b opposite one another with respect to the axis 2a.
  • the slots 7a, 7b each extend parallel to the axis 2a from the end face 2d of the screw part 2c to about 4/5 of the length of the screw part 2c.
  • the head part 2b has a hexagonal cross-section, hereinafter referred to as an internal hexagon 6, along the axis 2a with approximately half the diameter of the diameter of the head part 2b.
  • the depth of the hexagon socket 6 extends approximately 2/3 of the length of the head part 2b and serves for the engagement of a tool for screwing the nozzle 1 into the wall 12b of the air duct 12.
  • the hexagon socket 6 is followed by a circular cross section of the first Channel 3 along the axis 2a with a diameter 3b of approximately 1/8 of the diameter of the head part 2b.
  • the first channel 3 with this diameter 3b extends into the screw part 2c and then tapers over a short distance by about 2/3 to a diameter 3c.
  • the first channel 3 leads through the screw part 2c along the axis 2a to the end face 2d of the screw part 2c.
  • the first channel 3 has a first center line 3a, which coincides with axis 2a.
  • the second channel 4 is directed along a second center line 4a.
  • the second center line 4a has a tangent 4b at the mouth, which coincides with the second center line 4a, since the second center line 4a is a straight line.
  • the tangent 4b is spaced from the first center line 3a by the distance a (see FIG. 2).
  • a third channel 4 ' which is circular in cross section, extends from the slot 7b along a third center line 4a' and opens into the first channel 3 at an additional mouth 5 '.
  • the third channel 4' is symmetrical with respect to the axis 2a to the second channel 4 arranged.
  • the third center line 4a ' has at the additional mouth 5' a tangent 4b 'which coincides with the third center line 4a' and is spaced from the first center line 3a by the distance a (see FIG. 2).
  • the nozzle 1 opens into an air duct 12, which is directed perpendicular to the axis 2a and has an air duct width 12a.
  • fuel 10 flows through the first channel 3 from the end face 2d of the screw part 2c to the end face 2e of the head part 2b.
  • fuel 10 enters the air duct 12 as a fuel jet 10d, in which combustion air 11 flows approximately perpendicular to the direction of the fuel jet.
  • Partial streams 10b of the fuel 10 are fed to the second channel 4 and the third channel 4 'via the slots 7a and 7b.
  • this partial flow 10b enters the first channel 3, in which a partial flow 10a of the fuel 10 flows, eccentrically.
  • the partial streams 10b and 10a are combined to form a main stream 10c.
  • the main Stream 10c imprinted a twist.
  • the swirled, combined main stream 10c emerges as a fuel jet 10d from the nozzle 1 and fanned out by the swirl, but still has such a large momentum in the main flow direction that the fuel jet 10d extends over almost the entire width 12a of the air duct 12. This results in a good mixing of fuel 10 and combustion air 11 over almost the entire air duct width 12a.
  • the screw part 2c is sealed off from the air duct 12 on the foot side 2f of the head part 2b.
  • FIG. 2 shows a cross section through the nozzle 1 from FIG. 1 on a scale twice as large.
  • the channels 4, 4 ' are pivoted into the cross-sectional plane.
  • the second channel 4 and the third channel 4 ′ open tangentially into the first channel 3.
  • the second center line 4a of the second channel 4 has a tangent 4b at the mouth 5 and the third center line 4a 'of the third channel 4' has a tangent 4b 'at the mouth 5', each of which coincides with the center lines 4a and 4a ' because these are straight lines.
  • the tangents 4b and 4b ' are spaced a distance a from the center line 3a of the channel 3.
  • the partial flow 10a of the fuel 10 flowing in the first channel 3 becomes a swirl through the partial flows 10b of the fuel 10 flowing from the second channel 4 and the third channel 4' granted.
  • the pulse of the partial flow 10a of the fuel 10 is essentially maintained in the first channel 3 along the center line 3a.
  • the combined main stream 10c is still guided over a length 5b of the first channel 3 in order to avoid splitting into two partial jets when the fuel 10 emerges from the first channel 3.
  • the main stream 10c combined in channel 3 thus exits far into the combustion air 11 as a fuel jet 10d so that the fuel jet 10d extends over almost the entire width 12a of the
  • Air duct extends. Combustion air 11 can thus be mixed with fuel 10 over a large distance.
  • the one The swirl given by main flow 10c leads to a conical fanning out of the fuel jet 10d emerging from the nozzle 1 and thus to a fine distribution of fuel 10.
  • Figure 3 shows a further embodiment of a nozzle 1 in a side view. Except for another fuel supply to the channels 4 and 4 ', the nozzle 1 is identical in construction to the nozzle 1 from FIG. 1.
  • Two blind bores 9 and 9' parallel to the first channel 3 in the screw part 2c each extend from the end face 2d of the Screw part 2c over almost the entire length of the screw part 2c, the blind hole 9 intersecting the second channel 4 and the blind hole 9 'intersecting the third channel 4'.
  • Fuel 10 is supplied to channels 4 and 4 'via blind hole 9 and 9', respectively.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse (1) zur Eindüsung eines ersten Fluids (10), insbesondere Brennstoff, in ein zweites Fluid (11), insbesondere Verbrennungsluft. Das erste Fluid (10) wird in der Düse in zwei Kanälen (3, 4) geführt, wobei ein Kanal (4) exzentrisch in den anderen Kanal (3) mündet, so daß ein drallbehafteter Hauptstrom (10c) erzeugt wird, der weit in das zweite Fluid (11) eintreten kann. Der Drall erzeugt dabei eine Auffächerung des eingedüsten ersten Fluids (10), die zu einer Feinverteilung des ersten Fluids (10) führt. Die Erfindung betrifft weiter eine Verwendung einer solchen Düse (1) in einem Vormischbrenner einer Gasturbine sowie ein Verfahren.

Description

Beschreibung
Düse, Verwendung einer Düse und Verfahren zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid
Die Erfindung betrifft eine Düse zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, eine Verwendung einer solchen Düse und ein Verfahren zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid.
In der DE 32 35 080 AI ist eine Rücklaufeinspritzdüse beschrieben, bei der zwei einander entgegengesetzte Flüssigkeitszuführungen tangential in einen kreiszylindrischen Drallraum münden. Mit dem Drallraum ist einerseits ein Ein- spritzkanal und entgegengesetzt dazu andererseits eine Rücklaufbohrung verbunden. Die Rücklaufeinspritzdüse ist insbesondere für die Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in Gasturbinenbrennkammern geeignet. Eine Zerstäubung wird dadurch erreicht, daß tangential in die Drallkammer Brennstoff einströmt und zu einem Hauptstrom vereinigt wird, wobei durch eine kreisförmige Führung in der Drallkammer dem Hauptstrom ein Drall erteilt wird, der im Einspritzkanal erhalten bleibt, so daß der Brennstoffstrahl beim Austritt des Brennstoffs aus dem Einspritzkanal kegelförmig auffächert. Ande- rerseits wird Brennstoff über die Rücklaufbohrung zurückgeführt. Unter Beibehaltung eines konstanten BrennstoffZustromes zur Rücklaufeinspritzdüse wird die Menge von eingespritztem Brennstoff dadurch gesteuert, daß die Menge an zurückgeführtem Brennstoff eingestellt wird. Ein Zerstäuber mit Rück- laufregelung geht ebenfalls hervor aus der DD 22 076.
In der DE 196 08 349 AI ist eine Druckzerstäuberdüse, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, beschrieben. Diese Düse weist eine separate Turbulenz- oder Drallkammer auf. Die
Drallkammer steht über eine Düsenbohrung mit einem Außenraum in Verbindung, in welchen die zu zerstäubende Flüssigkeit ausströmt. Über einen ersten Zufuhrkanal ist die zu zerstäubende Flüssigkeit der Drallkammer zuführbar. Der erste Zufuhrkanal ist durch eine enge Bohrung realisiert, die turbulenzerzeugend wirkt. Mithin wird der erste Zufuhrkanal auch als Turbulenzzerstäuberstufe bezeichnet. Über einen zweiten Zufuhrkanal ist ebenfalls zu zerstäubende Flüssigkeit unter Druck und mit Drall der Drallkammer zuführbar. Durch eine Anpassung der durch den ersten bzw. durch den zweiten Kanal strömende Flüssigkeitsmassenströme ist die Düse an unter- schiedliche Betriebsbedingungen anpassbar. Insbesondere ist beim Einsatz in einem Gasturbinenbrenner ein auf die Nennlastbedingungen angepaßter Düsenvordruck erzeugbar. Je nach Last ist der Spraykegelwinkel und damit der Grad der Zerstäubung anpassbar.
Die DE 44 40 681 C2 zeigt eine Sprühdüse, insbesondere zum
Versprühen von Wasser in Brandschutzanlagen. Ähnlich wie in der DE 196 08 349 AI ist auch in dieser Schrift eine Wirbelkammer vorgesehen, in der sich das zu versprühende Wasser vor dem Austritt sammelt.
Die US-PS 5,035,364 zeigt eine Einrichtung zur Verhinderung einer Konglomeratbildung von in einem Fluidstrom strömenden Festkörperteilchen. Dazu wird dem Fluidstrom durch seitlich einmündende Injektionskanäle Fluid so beigemischt, daß sich eine Wirbelbildung im Hauptstrom ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düse zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid anzugeben. Weitere Aufga- ben sind es, eine Verwendung einer solchen Düse sowie ein Verfahren zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Düse zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid gerichtete Aufgabe gelöst durch eine Düse mit einem Düsenkörper, in dem das erste Fluid führbar ist, wobei in dem Düsenkörper ein entlang einer ersten Mittellinie gerichteter erster Kanal vorgesehen ist, in den ein entlang einer zweiten Mittellinie gerichteter zweiter Kanal an einer Mündung mündet, wobei der erste und der zweite Kanal vor der Mündung strömungstechnisch parallel geschaltet sind und wobei die zweite Mittellinie an der Mündung eine Tangente aufweist, die von der ersten Mittellinie beabstandet ist .
Unter einer Mittellinie eines Kanals ist die Linie zu verstehen, die sich aus der Gesamtheit der Schwerpunkte jeder Querschnittsfläche des Kanals ergibt.
Eine an der Mündung liegende Tangente an die zweite Mittelli- nie ist die Tangente an die zweite Mittellinie in jenem
Punkt, in dem die zweite Mittellinie von der Mündungsfläche geschnitten wird. Die Mündungsfläche ist die Fläche, die durch den Rand der an der Mündung endenden Wand des zweiten Kanals eingeschlossen ist.
Der Ausdruck "strömungstechnisch parallel geschaltet" ist in Analogie zu einer elektrischen Schaltung zu sehen. Der erste Kanal entspricht einer elektrischen Leitung, der eine zweite elektrische Leitung, die dem zweiten Kanal entspricht, bis zu einer Zusammenschaltung der beiden Leitungen parallel geschaltet ist. Der erste und der zweite Kanal dienen vor der Mündung der Führung voneinander getrennter Teilströme des ersten Fluids, die an der Mündung vereinigt werden. Diese Teilströme entsprechen elektrischen Strömen durch die beiden Lei- tungen vor ihrer Zusammenschaltung.
Dadurch, daß die an der Mündung liegende Tangente der zweiten Mittellinie von der ersten Mittellinie beabstandet ist, ergibt sich eine exzentrische Einmündung des zweiten Kanals in den ersten Kanal. Mit einer solchen Düse wird einem im ersten Kanal strömenden Fluidstrom durch die zum ersten Kanal exzentrische Einmündung eines im zweiten Kanal strömenden Fluid- Stroms ein Drall aufgeprägt. Dem im ersten Kanal strömenden Fluidstrom wird also zusätzlich zu seinem in Strömungsrichtung gerichteten Impuls ein Drehimpuls erteilt. Bei einem Austritt des so drallbehafteten Fluidstroms aus der Düse fä- chert der Fluidstrom kegelförmig auf. Dabei wird die aus dem Impuls in Hauptströmungsrichtung resultierende Wurfweite des Strahls im wesentlichen beibehalten. Die Wurfweite ist jene Länge, die der Strahl maximal in seiner beim Austritt aus der Düse weisenden Hauptströmungsrichtung vom Düsenaustritt zu- rücklegt. Durch die im wesentlichen beibehaltene Wurfweite und durch die gleichzeitige Strahlauffächerung durch den Drall ist es insbesondere möglich, eine gute Durchmischung des ersten Fluids mit dem zweiten Fluid über die gesamte Wurfweite zu erhalten. Dies ist insbesondere bei einer Ein- düsung von Brennstoff als erstem Fluid in Verbrennungsluft als zweitem Fluid von Bedeutung. Eine solche Eindüsung wird beispielsweise bei einem Brenner einer Gasturbine benutzt. Eine feine Verteilung von Brennstoff und Verbrennungsluft ergibt eine gleichmäßige Verbrennungstemperatur und damit ge- ringe Stickoxidbildung.
Bevorzugt ist der Düsenkörper entlang einer Düsenachse gerichtet, wobei der erste Kanal entlang der Düsenachse führt. Insbesondere fällt die Mittellinie des ersten Kanals mit der Düsenachse zusammen. Damit ist ein im ersten Kanal strömender Fluidstrom ein gerade gerichteter Strom mit einem hohen Impuls in Strömungsrichtung.
Weiter bevorzugt weist der erste Kanal eine Hauptquer- schnittsfläche und der zweite Kanal eine Nebenquerschnittsfläche auf, die kleiner als die Hauptquerschnittsfläche ist. Dadurch fließt im zweiten Kanal ein geringerer Massenstrom des ersten Fluids als im ersten Kanal. Damit wird der Impuls des im ersten Kanal fließenden Teilstroms des ersten Fluids auch bei einer Einmündung eines im zweiten Kanal strömenden Teilstroms des ersten Fluids im wesentlichen beibehalten, wodurch die erzielbare Wurfweite im wesentlichen erhalten wird. Bevorzugt die Mündung einen größten Mündungsdurchmesser aufweist, wobei sich der erste Kanal stromab der Mündung über mindestens eine solche Länge erstreckt, daß sich ein Teilstrom des ersten Fluids im ersten Kanal mit einem Teilstrom des ersten Fluids aus dem zweiten Kanal zu einem einzigen, sich beim Austritt aus der Düse nicht aufspaltenden, Hauptstrom vereinigt, höchstens aber über eine Länge, über die ein Drall des Hauptstromes noch erhalten bleibt, insbesondere über eine Länge von dem drei- bis vierfachen des größten Mün- dungsdurchmessers .
Es wird so einerseits erreicht, daß sich bei Austritt des ersten Fluids aus der Düse nur ein einziger, kegelförmig auffä- chender Strahl ergibt, daß also keine Aufspaltung in zwei ge- trennte Teilstrahlen erfolgt. Andererseits bleibt der an der Mündung dem Hauptstrom erteilte Drall erhalten, daß heißt der Drall wird nicht durch eine Führung in einem zu langen Kanal abgebaut .
Bevorzugtermaßen schließt der mit dem zweiten Kanal parallel geschaltete erste Kanal an der Mündung mit dem zweiten Kanal einen Winkel zwischen 5° und 90°, insbesondere zwischen 35° und 55°, ein. Durch einen solchen Einströmwinkel wird besonders gut einerseits ein Drall auf einen im ersten Kanal strö- menden Teilstrom des ersten Fluids erteilt. Andererseits wird gleichzeitig ein in Strömungsrichtung des im zweiten Kanal strömenden zweiten Teilstroms des ersten Fluids gerichteter Impuls übertragen, so daß sich an der Mündung nur ein geringer zusätzlicher, aus der Vereinigung der Teilströme resul- tierender Strömungswiderstand ergibt.
Weiter bevorzugt weist der erste Kanal einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt auf, wobei der zweite Kanal im wesentlichen tangential in den ersten Kanal mündet. Tangential bedeu- tet, daß es in einer die Mündung teilenden, senkrecht zur ersten Mittellinie gerichteten Ebene eine gemeinsame Tangente an die Oberfläche des ersten und zweiten Kanals gibt. Eine solche tangentiale Einmündung verursacht eine besonders große Drallübertragung auf einen im ersten Kanal strömenden Teilstrom des ersten Fluids.
Bevorzugtermaßen mündet ein dritter Kanal in den ersten Kanal an einer Zusatzmündung, wobei die Zusatzmündung bezüglich der Mittellinie des ersten Kanals der Mündung gegenüberliegt. Insbesondere ist die Strömungsrichtung eines im dritten Kanal strömenden Teilstromes des ersten Fluids der Strömungsrich- tung eines im zweiten Kanal strömenden Teilstromes des ersten Fluids ungefähr entgegengesetzt. Ein so angeordneter weiterer Kanal erhöht den Drallübertrag auf einen im ersten Kanal strömenden Fluidstrom und führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung des ersten Fluids über den Umfang des sich beim Aus- tritt des ersten Fluids aus der Düse ausbildenden Spritzkegels .
Weiter bevorzugt ist jeder Kanal als kreissymmetrische Bohrung ausgeführt. Bevorzugt weist der Düsenkörper eine Außen- fläche auf, die zumindest teilweise als ein Gewinde ausgebildet ist. Ein so gestalteter Düsenkörper ermöglicht einen einfachen Einbau der Düse z.B. in einen Brenner durch einfaches Einschrauben des Düsenkörpers.
Bevorzugtermaßen wird die Düse zur Eindüsung von Brennstoff in Verbrennungsluft in einem Brenner, insbesondere in einem Vormischbrenner einer Gasturbine, eingesetzt. Dabei ist das erste Fluid Brennstoff und das zweite Fluid Verbrennungsluft. Ein Vormischbrenner zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß Brennstoff und Verbrennungsluft zunächst gemischt und erst dann einer Verbrennung zugeführt werden. Das Prinzip eines Vormischbrenners ist beschrieben in dem Artikel "Progress in Nox and CO Emission Reduction of Gas Turbines", H. Maghon, P. Berenbrink, H. Termühlen und G. Gärtner, ASME/IEEE Power Generations Conference, Boston 1990, worauf hiermit explizit Bezug genommen wird. Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, wobei das erste Fluid in einem ersten Teilstrom entlang einer ersten Mittellinie und in einem zwei- ten Teilstrom entlang einer zweiten Mittellinie geführt wird, wobei der zweite Teilstrom mit dem ersten Teilstrom so vereinigt wird, daß dem ersten Teilstrom durch die Vereinigung ein Drall aufgeprägt wird. Es ergibt sich also ein aus dem ersten Teilstrom und dem zweiten Teilstrom vereinigter, drallbehaf- teter Hauptstrom.
Eine solche Zusammenführung zweier Teilströme resultiert in einem drallbehafteten Hauptstrom. Ein solcher Drall bewirkt, wie oben bereits näher erläutert, eine Auffächerung des aus der Düse austretenden Hauptstroms. Diese Auffächerung führt wiederum zu einer guten Durchmischung des ersten Fluids mit dem zweiten Fluid.
Bevorzugtermaßen werden der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom unter einem Winkel zwischen 5 und 90 , insbesondere zwischen 35 und 55 , zusammengeführt.
Eine solche Vereinigung zweier Teilströme bewirkt, daß ein großer Impuls in Strömungsrichtung der zusammengeführten Teilströme beibehalten wird.
Bevorzugt ist das erste Fluid Brennstoff und das zweite Fluid Verbrennungsluft, wobei der Brennstoff in einer Düse eines Brenners, insbesondere eines Vormischbrenners einer Gastur- bine, geführt und in die Verbrennungsluft eingedüst wird.
Die Düse und das Verfahren werden anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Seitenansicht einer Düse im Luftkanal eines Vormischbrenners,
FIG 2 einen Querschnitt durch die Düse aus Figur 1 und FIG 3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung einer Düse.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. In Figur 1 ist eine Seitenansicht einer in einem Luftkanal 12 eines nicht weiter dargestellten Vormischbrenners eingebauten Düse 1 abgebildet. Der Luftkanal 12 ist nicht maßstäblich abgebildet. Ein Düsenkörper 2 ist entlang einer Achse 2a gerichtet und besteht aus einem zylindrischen Kopfteil 2b mit einer Stirnseite 2e und einem ebenfalls zylindrischen, etwa gleich langen Schraubenteil 2c mit einem Außengewinde 7, mit dem die Düse 1 in eine Wand 12b des Luftkanals 12 eingeschraubt ist und einer Stirnseite 2d. Das Schraubenteil 2c weist ungefähr 2/3 des Durchmessers des
Kopfteils 2b auf. Das Schraubenteil 2c schließt sich an einer Fußfläche 2f des Kopfteils 2b an das Kopfteil 2b an. Das Gewinde 7 weist einander bezüglich der Achse 2a gegenüberliegende Schlitze 7a, 7b auf. Die Schlitze 7a, 7b erstrecken sich jeweils parallel zur Achse 2a von der Stirnseite 2d des Schraubenteils 2c bis über ca. 4/5 der Länge des Schraubenteils 2c. Das Kopfteil 2b weist eine im Querschnitt sechsek- kige, im folgenden als Innensechskant 6 bezeichnete Vertiefung entlang der Achse 2a mit etwa dem halben Durchmesser des Durchmessers des Kopfteils 2b auf. Der Innensechskant 6 erstreckt sich in seiner Tiefe etwa über 2/3 der Länge des Kopfteils 2b und dient dem Eingriff eines Werkzeugs zum Einschrauben der Düse 1 in die Wand 12b des Luftkanals 12. An den Innensechskant 6 schließt sich ein im Querschnitt kreis- förmiger erster Kanal 3 entlang der Achse 2a mit einem Durchmesser 3b von ungefähr 1/8 des Durchmessers des Kopfteils 2b an. Der erste Kanal 3 erstreckt sich mit diesem Durchmesser 3b bis in das Schraubenteil 2c hinein und verjüngt sich anschließend auf einer kurzen Strecke um ungefähr 2/3 auf einen Durchmesser 3c. Der erste Kanal 3 führt durch das Schraubenteil 2c entlang der Achse 2a bis zur Stirnseite 2d des Schraubenteiles 2c. Der erste Kanal 3 weist eine erste Mit- tellinie 3a auf, die mit der Achse 2a zusammenfällt. Ein zweiter, im Querschnitt kreisförmiger Kanal 4 erstreckt sich unter einem Winkel α (s. Fig. 3) zur Achse 2a durch das Schraubenteil 2c von dem Schlitz 7a bei etwa der Hälfte der Länge des Schraubenteils 2c bis zur Fußseite 2f des Kopfteiles 2b. Hier mündet er an einer Mündung 5 in den ersten Kanal 3, der dort den Durchmesser 3b aufweist. Der zweite Kanal 4 ist entlang einer zweiten Mittellinie 4a gerichtet. Die zweite Mittellinie 4a weist an der Mündung eine Tangente 4b auf, die mit der zweiten Mittellinie 4a zusammenfällt, da die zweite Mittellinie 4a eine Gerade ist. Die Tangente 4b ist von der ersten Mittellinie 3a mit dem Abstand a (s. Fig. 2) beabstandet. Ein dritter, im Querschnitt kreisförmiger Kanal 4' erstreckt sich vom Schlitz 7b entlang einer dritten Mit- tellinie 4a', und mündet an einer Zusatzmündung 5' in den ersten Kanal 3. Der dritte Kanal 4' ist bezüglich der Achse 2a symmetrisch zum zweiten Kanal 4 angeordnet. Die dritte Mittellinie 4a' weist an der Zusatzmündung 5' eine Tangente 4b' auf, die mit der dritten Mittelinie 4a' zusammenfällt und zur ersten Mittellinie 3a mit dem Abstand a (s. Fig. 2) beabstandet ist. Die Düse 1 mündet in einen senkrecht zur Achse 2a gerichteten Luftkanal 12 mit einer Luftkanalbreite 12a.
Bei einer Verwendung der Düse 1 in einem nicht dargestellten Brenner, z.B. in einem Vormischbrenner einer Gasturbine, durchströmt Brennstoff 10 von der Stirnseite 2d des Schraubenteils 2c den ersten Kanal 3 bis zur Stirnseite 2e des Kopfteils 2b. Dort tritt der Brennstoff 10 als Brennstoffstrahl lOd in den Luftkanal 12 ein, in dem Verbrennungsluft 11 ungefähr senkrecht zur Richtung des BrennstoffStrahles strömt. Teilströme 10b des Brennstoffes 10 werden über die Schlitze 7a und 7b dem zweiten Kanal 4 bzw. dem dritten Kanal 4' zugeführt. An der Mündung 5 bzw. an der Zusatzmündung 5' tritt dieser Teilstrom 10b in den ersten Kanal 3, in dem ein Teilstrom 10a des Brennstoffes 10 fließt, exzentrisch ein. Die Teilströme 10b und 10a werden zu einem Hauptstrom 10c vereinigt. Durch die exzentrische Einströmung wird dem Haupt- Strom 10c ein Drall aufgeprägt. Der drallbehaftete, vereinigte Hauptstrom 10c tritt als Brennstoffstrahl lOd aus der Düse 1 aus und fächert dabei durch den Drall auf, hat aber noch einen so großen Impuls in Hauptströmungsrichtung, daß sich der Brennstoffstrahl lOd über nahezu die ganze Breite 12a des Luftkanals 12 erstreckt. Damit ergibt sich eine gute Durchmischung von Brennstoff 10 und Verbrennungsluft 11 über nahezu die ganze Luftkanalbreite 12a. Der Schraubenteil 2c ist gegenüber dem Luftkanal 12 an der Fußseite 2f des Kopfteils 2b abgedichtet.
In Figur 2 ist ein Querschnitt durch die Düse 1 aus Figur 1 im doppelt so großen Maßstab dargestellt. Zur besseren Veranschaulichung sind die Kanäle 4, 4' in die Querschnittsebene geschwenkt. In den ersten Kanal 3 münden tangential der zweite Kanal 4 und der dritte Kanal 4'. Die zweite Mittellinie 4a des zweiten Kanals 4 weist an der Mündung 5 eine Tangente 4b und die dritte Mittellinie 4a' des dritten Kanals 4' an der Mündung 5' eine Tangente 4b' auf, die jeweils mit den Mittel- linien 4a und 4a' zusammenfallen, da diese Geraden sind. Die Tangenten 4b bzw. 4b' sind mit einem Abstand a von der Mittellinie 3a des Kanals 3 beabstandet. Durch diese exzentrische Mündung der Kanäle 4 und 4 ' in den ersten Kanal 3 wird dem im ersten Kanal 3 strömenden Teilstrom 10a des Brenn- Stoffs 10 durch die jeweils vom zweiten Kanal 4 und vom dritten Kanal 4' zuströmende Teilströme 10b des Brennstoffes 10 ein Drall erteilt. Dabei wird der Impuls des Teilstromes 10a des Brennstoffes 10 im ersten Kanal 3 entlang der Mittellinie 3a im wesentlichen beibehalten. Der vereinigte Hauptstrom 10c wird noch über eine Länge 5b des ersten Kanals 3 geführt, um eine Aufspaltung in zwei Teilstrahlen bei Austritt des Brennstoffes 10 aus dem ersten Kanal 3 zu vermeiden. Damit tritt der in Kanal 3 vereinigte Hauptstrom 10c als Brennstoffstrahl lOd weit in die Verbrennungsluft 11 aus, so daß sich der Brennstoffstrahl lOd über nahezu die ganze Breite 12a des
Luftkanals erstreckt. Somit kann über eine große Strecke Verbrennungsluft 11 mit Brennstoff 10 vermischt werden. Der dem Hauptstrom 10c erteilte Drall führt dabei zu einer kegelförmigen Auffächerung des aus der Düse 1 austretenden Brennstoffstrahls lOd und damit zu einer Feinverteilung von Brennstoff 10.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Düse 1 in einer Seitenansicht. Die Düse 1 ist bis auf eine andere BrennstoffZuführung zu den Kanälen 4 und 4' baugleich zu der Düse 1 aus Figur 1. Zwei zum ersten Kanal 3 parallele Sack- lochbohrungen 9 bzw. 9' im Schraubenteil 2c erstrecken sich jeweils von der Stirnfläche 2d des Schraubenteiles 2c über nahezu die ganze Länge des Schraubenteils 2c, wobei die Sacklochbohrung 9 den zweiten Kanal 4 und die Sacklochbohrung 9' den dritten Kanal 4' schneidet. Den Kanälen 4 bzw. 4' wird Brennstoff 10 über die Sacklochbohrung 9 bzw. 9' zugeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Düse (1) zur Eindüsung eines ersten Fluids (10) in ein zweites Fluid (11), mit einem Düsenkörper (2), in dem das er- ste Fluid (10) führbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in dem Düsenkörper (2) ein entlang einer ersten Mittellinie (3a) gerichteter erster Kanal (3) vorgesehen ist, in den ein entlang einer zweiten Mittellinie (4a) gerichteter zweiter Kanal (4) an einer Mündung (5) mündet, wobei der erste Kanal (3) und der zweite Kanal (4) vor der Mündung (5) strömungstechnisch parallel geschaltet sind und wobei die zweite Mittellinie (4a) an der Mündung (5) eine Tangente (4b) aufweist, die von der ersten Mittellinie (3a) beabstandet ist.
2. Düse (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Düsenkörper (2) entlang einer Düsenachse (2a) gerichtet ist, wobei der erste Kanal (3) entlang der Düsenachse (2a) führt.
3. Düse (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Kanal (3) an der Mündung (5) eine Hauptquerschnittsfläche und der zweite Kanal (4) an der Mündung (5) eine Nebenquer- schnittsfläche aufweist, die kleiner als die Hauptquerschnittsfläche ist.
4. Düse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mündung (5) einen größten Mündungsdurchmesser (5a) aufweist, wobei sich der erste Kanal (3) stromab der Mündung (5) über mindestens eine solche Länge (5b) erstreckt, daß sich ein Teilstrom (10a) des ersten Fluids (10) im ersten Kanal (3) mit einem Teilstrom (10b) des ersten Fluids (10) aus dem zweiten Kanal (4) zu einem einzigen, sich beim Austritt aus der Düse nicht aufspaltenden, Hauptstrom (10c) vereinigt, höchstens aber über eine Länge (5b) , über die ein Drall des Hauptstro- mes (10c) noch erhalten bleibt, insbesondere über eine Länge (5b) von dem drei- bis vierfachen des größten Mündungsdurchmessers (5a) .
5. Düse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der mit dem zweiten Kanal (4) parallel geschaltete erste Kanal (3) an der
Mündung (5) einen Winkel (α) zwischen 5 und 90 , insbesondere zwischen 35 und 55 , mit dem zweiten Kanal (4) ein- schließt.
6. Düse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Kanal (3) einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei der zweite Kanal (4) im wesentlichen tangential in den ersten Kanal (3) mündet.
7. Düse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein dritter Kanal (4') in den ersten Kanal (3) an einer Zusatzmündung
(5') mündet, wobei die Zusatzmündung (5') bezüglich der Mittellinie (3a) des ersten Kanals (3) der Mündung (5) gegenüberliegt.
8. Düse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeder Kanal (3, 4, 4') als kreissymmetrische Bohrung ausgeführt ist.
9. Düse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Düsenkörper (2) eine Außenfläche aufweist, die zumindest teilweise als ein Gewinde (7) ausgebildet ist.
10. Verwendung einer Düse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Eindüsung von Brennstoff (10) in Verbrennungsluft (11) in einem Brenner, insbesondere in einem Vormischbrenner einer Gasturbine.
11. Verfahren zur Eindüsung eines ersten Fluids (10) in ein zweites Fluid (11), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das erste Fluid (10) in einem ersten Teilstrom (10a) entlang einer ersten Mittellinie (3a) und in einem zweiten Teilstrom (10b) entlang einer zweiten Mittellinie (4a) geführt wird, wobei der zweite Teilstrom (10b) mit dem ersten Teilstrom (10a) so vereinigt wird, daß dem ersten Teilstrom (10a) durch die Vereinigung ein Drall aufgeprägt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zweite Teilstrom (10b) und der erste Teilstrom (10a) unter einem Winkel (α) zwischen 5 und 90 , insbesondere zwischen 35 und 55 , zusammengeführt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das erste Fluid (10) Brennstoff (10) und das zweite Fluid (11) Verbren- nungsluft (11) ist, wobei der Brennstoff (10) in einer Düse
(1) eines Brenners, insbesondere eines Vormischbrenners einer Gasturbine, geführt und in die Verbrennungsluft (11) einge- düst wird.
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