EP1195203B1 - Device and method for electrostatically spraying liquids - Google Patents
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- EP1195203B1 EP1195203B1 EP01123634A EP01123634A EP1195203B1 EP 1195203 B1 EP1195203 B1 EP 1195203B1 EP 01123634 A EP01123634 A EP 01123634A EP 01123634 A EP01123634 A EP 01123634A EP 1195203 B1 EP1195203 B1 EP 1195203B1
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- nozzle
- nozzle body
- high voltage
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
- F23D11/32—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by electrostatic means
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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
- B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
- B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
- B05B5/035—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns characterised by gasless spraying, e.g. electrostatically assisted airless spraying
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- B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
- B05B5/053—Arrangements for supplying power, e.g. charging power
- B05B5/0533—Electrodes specially adapted therefor; Arrangements of electrodes
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
- F02M27/04—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by electric means, ionisation, polarisation or magnetism
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D2206/00—Burners for specific applications
- F23D2206/10—Turbines
Definitions
- the present invention relates to a device and a method for electrostatic atomization of a liquid medium, wherein the device comprises an electrically conductive nozzle body having an inner volume for receiving the liquid medium, at least one nozzle opening for the discharge of the liquid medium and a coaxial with a longitudinal axis of the nozzle body in Internal volume arranged high-voltage electrode, is charged with the flowing liquid medium immediately before exiting the nozzle opening electrostatically.
- turbomachines such as gas or steam turbine plants, for injecting or injecting the liquid fuel.
- atomizers For the atomization of a liquid medium such as a liquid fuel pressure atomizers are often used in which the liquid medium under high pressure, the internal volume of a Nozzle body is supplied and atomized in the subsequent expansion through the nozzle opening into fine droplets.
- the nozzle consists of an electrically conductive nozzle body, which is at ground potential and has a nozzle opening for the escape of a pressurized fluid volume.
- a nozzle opening is arranged coaxially opposite electrode, which is at a high voltage potential.
- the electrode has a conical tip, which is positioned directly at the outlet opening of the nozzle body tapered in the shape of a truncated cone. Due to the very high electric fields at this apex of the electrode, the liquid flowing past is charged electrostatically immediately before it leaves the nozzle opening. Due to this electrostatic charge, the liquid atomizes after exiting the nozzle opening to a very fine spray.
- a similar device is the DE 41 06 563 A1 refer to.
- the U.S. 4,051,826 shows a device for fuel injection in a cylinder chamber a Combustion engine.
- the nozzle used in this case has a plurality of nozzle openings whose boundaries are formed as sharp edges.
- the housing is subjected to a high-voltage potential, so that prevail at the outlet openings very high electric fields, which also lead to an electrostatic charge of the exiting liquid. Due to a lack of high potential difference at these outlet openings, however, the size of the electrostatic charge is only small.
- a method according to the preamble of claim 8 is known from US 5,234,170 known.
- electrostatic single-hole nozzles are known from the above-mentioned prior art, which lead to an increase in the atomization quality, however, these nozzle designs are not readily transferable to multi-hole nozzles.
- a corresponding electrode with conical tip would have to be provided for each nozzle opening, which is positioned exactly above the respective nozzle opening.
- this increases the effort in the production of the nozzles and leads to reliability problems due to the thermal distortion, especially in the very high temperatures occurring in combustion chambers of gas and steam turbines.
- the construction of a multi-hole nozzle, on the other hand, indicated by the second mentioned publication results in reasonable high voltage values not to a satisfactory electrostatic charge of the liquid medium.
- the present invention is therefore based on the object to provide a device and a method for electrostatic atomization of a liquid medium, which in particular allow the use of a multi-hole pressure nozzle and to provide a sufficient Zerstäubungsproof even when starting and at partial load of a turbomachine.
- the inventive device for atomizing a liquid medium consists of an electrically conductive nozzle body having an internal volume for receiving the liquid medium, at least one nozzle opening for the discharge of the liquid medium and a coaxial with a longitudinal axis of the nozzle body in the inner volume arranged high-voltage electrode.
- the high-voltage electrode is arranged such that it can charge electrostatic fluid flowing past it immediately before exiting from the nozzle opening or the nozzle openings upon application of a high voltage such that the atomization quality due to these electrostatic Charging is increased.
- the electrically conductive nozzle body is set to ground potential in order to generate a sufficient size of the electric field between the high voltage electrode and the nozzle body in the region of the nozzle opening.
- the high-voltage electrode in the region of its greatest lateral extent, has-in a plane substantially perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle body-a circumferential sharp edge which runs at a small distance from the nozzle body in order to be able to effect the electrostatic charging of the flowing liquid medium.
- a sharp edge means in each case a sharp edge angle, ie an edge angle of less than 90 °.
- the sharp edge can also have a serrated profile with tips. It goes without saying that this edge has to run in the immediate vicinity of the nozzle orifices in order to be able to bring about the desired electrostatic charging of the liquid medium immediately before it leaves the nozzle opening.
- the device is a multi-hole nozzle whose nozzle orifices are located in or near the plane in which the sharp edge of the high voltage electrode passes. It is also possible to provide a plurality of rows of nozzle openings, which are spaced apart in the longitudinal direction of the nozzle body, wherein then for each row a separate circumferential sharp edge is formed on the high voltage electrode.
- a central outlet opening can be formed on the longitudinal axis of the nozzle body. Such a central nozzle opening is acted upon by an additional tip on the high voltage electrode in this area with an electric field, as is known from the prior art in single-hole nozzles.
- the nozzle body is rotationally symmetrical about its longitudinal axis and has a tapered, for example frustoconical, shape in the region of the nozzle openings.
- the present high-voltage electrode is preferably formed approximately plate-shaped. Such a configuration is technically very easy to implement and is insensitive to thermal distortion.
- the liquid medium is supplied to the inner volume under pressure, the nozzle body is set to ground potential and the high voltage electrode is subjected to a high voltage, which causes an electrostatic charge of the liquid medium in a size, due to the additional electrostatic charge to a burst of the drop or the nozzle openings exiting drops leads.
- the high voltage electrode is pulsed at high voltage with a variable duty cycle (duration of high voltage / period). and / or, in particular embodiment, subjected to variable high voltage, wherein the sputtering quality is selectively influenced by changing the duty cycle of the high voltage.
- a targeted modulation of the high voltage and / or the sampling rate by a specific pulse rate is conceivable.
- Such an influence is particularly suitable for damping combustion instabilities during operation of a gas or steam turbine plant, the duty cycle being increased during startup or part load operation due to the lower fuel pressure and the duty ratio being lowered in the case of heavy partial load or full load operation.
- a change in the atomization in partial load operation can also be influenced by changing the high voltage, for example by increasing it from 10 kV to> 20 kV.
- the present device and the associated method are therefore characterized by a simple construction, which allows in particular the principle of electrostatic atomization even with multi-hole pressure nozzles.
- the structure of the device with the circumferential sharp edge is much less susceptible to thermal distortion than a structure with separately provided for each nozzle opening cone tips.
- Fig. 1 shows an example of the dependence of the fuel pressure in the operation of a gas turbine on the gas turbine power. It can be clearly seen in the figure that at low gas turbine power in starting or part-load operation, a significantly lower fuel pressure predominates than at higher gas turbine power or at full load operation.
- the values for the relative fuel mass flow (m_fuel) and fuel pressure (p_fuel) are shown as a function of the gas turbine power. Due to the relationship shown, it can be seen that the pressure in the atomizer nozzle can assume very different values depending on the operating state of the gas turbine, so that the atomization quality of the pressure atomization does not turn out satisfactory at low gas turbine power.
- Fig. 2 shows an example of a sputtering or atomizing nozzle according to the invention, with which the sputtering quality can be significantly increased, especially in the start or part load operation of a gas turbine.
- the figure shows the front region of the electrically conductive nozzle body 1, which encloses the inner volume 4 for receiving the liquid medium, for example a fuel oil or another non-conductive atomizing medium.
- the nozzle body is formed in the present example rotationally symmetrical about its longitudinal axis 1a.
- nozzle openings 2 for the discharge of the liquid medium intended.
- the leaked electrostatically sprayed spray 5 is indicated schematically here.
- a high-voltage electrode 3 is arranged to electrostatically charge the flowing liquid medium immediately before the exit from the nozzle openings 2.
- the high-voltage electrode 3 is plate-shaped and has a circumferential sharp edge 3a in the region of its greatest lateral extent.
- the plane in which this sharp edge 3 a extends essentially corresponds to the plane in which the nozzle openings 2 are arranged distributed on the nozzle body 1.
- a sharp edge 3 a is in any case an acute edge angle, ie an edge angle of less than 90 °.
- the sharp edge 3a can also have a serrated profile with tips.
- this edge 3 a must run in the immediate vicinity of the nozzle orifices 2 in order to be able to effect the desired electrostatic charging of the liquid medium immediately before it leaves the nozzle opening.
- a central nozzle opening 2a can be formed on the longitudinal axis 1a of the nozzle body 1. Such a central nozzle opening 2a is acted upon by an additional tip 3b at the high voltage electrode 3 in this area with an electric field, as is known from the prior art in single-hole nozzles.
- this sharp edge 3a must be positioned as close as possible to the nozzle body 1 in order to achieve the desired size of the electric field.
- a high voltage U> 10 kV and a distance of the order of 1 mm between the sharp edge 3a and the nozzle body 1 are selected.
- Fig. 3 shows the principle of action of the electrostatic charge in the electrostatic atomization.
- a non-electrostatically charged droplet 6 is shown schematically, in which only the surface tension forces F i act, holding the droplets together (by arrows indicated).
- the right side of the Fig. 3 In this case, the additionally acting electrostatic forces F el are shown in an electrostatically charged droplet 7. The droplets 7 will burst until the charge forces within the droplet are smaller than the surface tension forces and the droplet is thus stable.
- the high-voltage electrode 3 is subjected to a pulsed high voltage with variable duty cycle (duration of the high voltage / period) and / or, in a particular embodiment, with variable high voltage, wherein the sputtering quality is specifically influenced by changing the duty cycle of the high voltage.
- a targeted modulation of the high voltage and / or the sampling rate by a specific pulse rate is conceivable. Such influence is particularly useful for damping combustion instabilities in the operation of a gas or Steam turbine plant, wherein in the start or part load operation due to the lower fuel pressure increases the duty cycle and at higher part-load or full load operation, the duty ratio is lowered.
- a change in the atomization in partial load operation can also be influenced by changing the high voltage, for example by increasing it from 10 kV to> 20 kV.
- Fig. 4 shows shadow shots on fuel nozzles with and without high voltage applied at different fuel flow rates.
- all four representations can be seen in the upper part of the nozzle body, emerge from the four fuel jets through the outlet openings.
- the operation of the device without the application of a high voltage that is shown as a conventional multi-hole pressure nozzle. While sufficient atomization can be seen with a high fuel flow rate of 3.95 l / min, corresponding to a pressure in the nozzle of 30 * 10 5 Pa (30 bar) (lower part of the figure), with a lower fuel flow rate of only 1.32 l / min accordingly a pressure of 3.5 * 10 5 Pa (3.5 bar) hardly achieve atomization of the fuel.
- the present device and the associated method are therefore characterized by a simple construction, which allows in particular the principle of electrostatic atomization even with multi-hole pressure nozzles.
- the construction of the device with the peripheral sharp edge 3a is much less susceptible to thermal distortion than a structure with separately provided for each nozzle opening cone tips.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur elektrostatischen Zerstäubung eines flüssigen Mediums, wobei die Vorrichtung einen elektrisch leitfähigen Düsenkörper mit einem Innenvolumen zur Aufnahme des flüssigen Mediums, zumindest eine Düsenöffnung für den Austritt des flüssigen Mediums sowie eine koaxial zu einer Längsachse des Düsenkörpers im Innenvolumen angeordnete Hochspannungselektrode aufweist, mit der vorbeiströmendes flüssiges Medium unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung elektrostatisch aufgeladen wird.The present invention relates to a device and a method for electrostatic atomization of a liquid medium, wherein the device comprises an electrically conductive nozzle body having an inner volume for receiving the liquid medium, at least one nozzle opening for the discharge of the liquid medium and a coaxial with a longitudinal axis of the nozzle body in Internal volume arranged high-voltage electrode, is charged with the flowing liquid medium immediately before exiting the nozzle opening electrostatically.
Die Vorrichtung und das zugehörige Verfahren werden insbesondere in Strömungsmaschinen, wie Gas-oder Dampfturbinenanlagen, zum Einspritzen bzw. Eindüsen des flüssigen Brennstoffs eingesetzt.The device and the associated method are used in particular in turbomachines, such as gas or steam turbine plants, for injecting or injecting the liquid fuel.
Für die Zerstäubung eines flüssigen Mediums wie beispielsweise eines Flüssigbrennstoffes werden häufig Druckzerstäuber eingesetzt, bei denen das flüssige Medium unter hohem Druck dem Innenvolumen eines Düsenkörpers zugeführt wird und bei der anschließenden Expansion durch die Düsenöffnung in feine Tropfen zerstäubt. Zur Unterstützung dieser Zerstäubung ist es bekannt, das flüssige Medium über eine Hochspannungselektrode vor dem Austritt aus der Düse zusätzlich elektrostatisch aufzuladen. Diese elektrostatische Aufladung bewirkt aufgrund der abstoßenden Kräfte der Ladungen eine bessere und feinere Zerstäubung.For the atomization of a liquid medium such as a liquid fuel pressure atomizers are often used in which the liquid medium under high pressure, the internal volume of a Nozzle body is supplied and atomized in the subsequent expansion through the nozzle opening into fine droplets. To assist this atomization, it is known to additionally electrostatically charge the liquid medium via a high-voltage electrode before it leaves the nozzle. This electrostatic charge causes a better and finer atomization due to the repulsive forces of the charges.
So zeigt die
Die
Ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 8 ist aus der
Gerade auf dem bevorzugten Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, der Gas- oder Dampfturbinentechnik, spielt die Qualität der Zerstäubung der eingesetzten flüssigen Kraftstoffe eine wesentliche Rolle für die Stabilität der Verbrennung, den Wirkungsgrad sowie die erzeugten Schadstoffemissionen. Bei mager vorgemischten Gasturbinenbrennern kommen hierbei häufig Mehrloch-Druckdüsen zum Einsatz, um eine gute Verteilung des Brennstoffes in der Verbrennungsluft zu erreichen.
Bei derartigen Mehrloch-Druckdüsen wirkt sich - wie auch bei Einloch-Druckdüsen - nachteilig aus, dass die Zerstäubungsqualität vom Druck des zu zerstäubenden flüssigen Mediums bzw. Brennöls und somit vom Öldurchsatz abhängig ist. In Gasturbinen mit Druckdüsen wirkt sich dieser Umstand besonders negativ auf das Start- und Teillastverhalten aus, da unter diesen Bedingungen die Öldurchsätze gering sind. Dies kann anhand der
Bisher wird bei derartigen Gasturbinen-Brennstoffsystemen deshalb in der Regel der Brennstoff in verschiedenen Düsenstufen zugeführt. Eine Pilotstufe deckt den Start- und unteren Teillastbereich ab. Die weitere Hauptstufe ist für den Betrieb des oberen Teillastbereiches sowie die Volllast vorgesehen. Für beide Stufen sind jedoch separate Brennstoffzuführ- und
- regelsysteme erforderlich, so dass der Aufwand für die Bereitstellung eines derartigen Brennstoffsystems relativ hoch ist.
In the case of such multi-hole pressure nozzles, as is the case with single-hole pressure nozzles, it is disadvantageous that the atomization quality depends on the pressure of the liquid medium or fuel oil to be atomized and thus on the oil throughput. In gas turbines with pressure nozzles, this circumstance has a particularly negative effect on the starting and part load behavior, since under these conditions the oil flow rates are low. This can be done by the
So far, in such gas turbine fuel systems, therefore, the fuel is usually supplied in different nozzle stages. A pilot stage covers the start and lower part load range. The other main stage is intended for the operation of the upper part load range and the full load. For both stages, however, separate fuel supply and
- control systems required, so that the cost of providing such a fuel system is relatively high.
Aus dem oben genannten Stand der Technik sind zwar elektrostatische Einloch-Düsen bekannt, die zu einer Erhöhung der Zerstäubungsqualität führen, jedoch sind diese Düsenkonstruktionen nicht ohne weiteres auf Mehrloch-Düsen übertragbar. So müsste für jede Düsenöffnung eine entsprechende Elektrode mit kegelförmiger Spitze vorgesehen werden, die genau über der jeweiligen Düsenöffnung positioniert ist. Dies erhöht jedoch den Aufwand bei der Herstellung der Düsen und führt gerade bei den in Brennkammern von Gas- und Dampfturbinen auftretenden sehr hohen Temperaturen zu Zuverlässigkeitsproblemen aufgrund des thermischen Verzuges.
Die andererseits durch die zweite genannte Veröffentlichung aufgezeigte Konstruktion einer Mehrloch-Düse führt bei vertretbaren Hochspannungswerten nicht zu einer zufrieden stellenden elektrostatischen Aufladung des flüssigen Mediums.Although electrostatic single-hole nozzles are known from the above-mentioned prior art, which lead to an increase in the atomization quality, however, these nozzle designs are not readily transferable to multi-hole nozzles. Thus, a corresponding electrode with conical tip would have to be provided for each nozzle opening, which is positioned exactly above the respective nozzle opening. However, this increases the effort in the production of the nozzles and leads to reliability problems due to the thermal distortion, especially in the very high temperatures occurring in combustion chambers of gas and steam turbines.
The construction of a multi-hole nozzle, on the other hand, indicated by the second mentioned publication results in reasonable high voltage values not to a satisfactory electrostatic charge of the liquid medium.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum elektrostatischen Zerstäuben eines flüssigen Mediums bereitzustellen, die insbesondere den Einsatz einer Mehrloch-Druckdüse ermöglichen und eine ausreichende Zerstäubungsqualität auch beim Starten und bei Teillast einer Strömungsmaschine zu liefern imstande sind.The present invention is therefore based on the object to provide a device and a method for electrostatic atomization of a liquid medium, which in particular allow the use of a multi-hole pressure nozzle and to provide a sufficient Zerstäubungsqualität even when starting and at partial load of a turbomachine.
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des zugehörigen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the device and the method according to
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubung eines flüssigen Mediums besteht aus einem elektrisch leitfähigen Düsenkörper, der ein Innenvolumen zur Aufnahme des flüssigen Mediums aufweist, zumindest einer Düsenöffnung für den Austritt des flüssigen Mediums sowie einer koaxial zu einer Längsachse des Düsenkörpers im Innenvolumen angeordneten Hochspannungselektrode. Die Hochspannungselektrode ist derart angeordnet, dass sie vorbeiströmendes flüssiges Medium unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung bzw. den Düsenöffnungen bei Anlegen einer Hochspannung derart elektrostatisch aufladen kann, dass die Zerstäubungsqualität aufgrund dieser elektrostatischen Aufladung erhöht wird. Selbstverständlich wird hierfür der elektrisch leitfähige Düsenkörper auf Massepotential gelegt, um eine ausreichende Größe des elektrischen Feldes zwischen Hochspannungselektrode und Düsenkörper im Bereich der Düsenöffnung zu erzeugen. Erfindungsgemäß weist die Hochspannungselektrode im Bereich ihrer größten lateralen Ausdehnung - in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Düsenkörpers - eine umlaufende scharfe Kante auf, die in geringem Abstand zum Düsenkörper verläuft, um die elektrostatische Aufladung des vorbeiströmenden flüssigen Mediums bewirken zu können. Unter einer scharfen Kante ist hierbei in jedem Fall ein spitzer Kantenwinkel, d.h. ein Kantenwinkel von weniger als 90° zu verstehen. Die scharfe Kante kann hierbei selbstverständlich auch einen gezackten Verlauf mit Spitzen aufweisen.
Es versteht sich von selbst, dass diese Kante in unmittelbarer Nachbarschaft zu der oder den Düsenöffnungen verlaufen muss, um die gewünschte elektrostatische Aufladung des flüssigen Mediums unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung bewirken zu können.The inventive device for atomizing a liquid medium consists of an electrically conductive nozzle body having an internal volume for receiving the liquid medium, at least one nozzle opening for the discharge of the liquid medium and a coaxial with a longitudinal axis of the nozzle body in the inner volume arranged high-voltage electrode. The high-voltage electrode is arranged such that it can charge electrostatic fluid flowing past it immediately before exiting from the nozzle opening or the nozzle openings upon application of a high voltage such that the atomization quality due to these electrostatic Charging is increased. Of course, for this purpose, the electrically conductive nozzle body is set to ground potential in order to generate a sufficient size of the electric field between the high voltage electrode and the nozzle body in the region of the nozzle opening. According to the invention, in the region of its greatest lateral extent, the high-voltage electrode has-in a plane substantially perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle body-a circumferential sharp edge which runs at a small distance from the nozzle body in order to be able to effect the electrostatic charging of the flowing liquid medium. In this case, a sharp edge means in each case a sharp edge angle, ie an edge angle of less than 90 °. Of course, the sharp edge can also have a serrated profile with tips.
It goes without saying that this edge has to run in the immediate vicinity of the nozzle orifices in order to be able to bring about the desired electrostatic charging of the liquid medium immediately before it leaves the nozzle opening.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Vorrichtung um eine Mehrloch-Düse, deren Düsenöffnungen in oder nahe der Ebene angeordnet sind, in der die scharfe Kante der Hochspannungselektrode verläuft. Hierbei ist es auch möglich, mehrere Reihen von Düsenöffnungen vorzusehen, die in Längsrichtung des Düsenkörpers voneinander beabstandet sind, wobei dann für jede Reihe eine gesonderte umlaufende scharfe Kante an der Hochspannungselektrode ausgebildet ist.Preferably, the device is a multi-hole nozzle whose nozzle orifices are located in or near the plane in which the sharp edge of the high voltage electrode passes. It is also possible to provide a plurality of rows of nozzle openings, which are spaced apart in the longitudinal direction of the nozzle body, wherein then for each row a separate circumferential sharp edge is formed on the high voltage electrode.
Weiterhin kann eine zentrale Austrittsöffnung auf der Längsachse des Düsenkörpers ausgebildet sein. Eine derartige zentrale Düsenöffnung wird durch eine zusätzliche Spitze an der Hochspannungselektrode in diesem Bereich mit einem elektrischen Feld beaufschlagt, wie dies aus dem Stand der Technik bei Einloch-Düsen bekannt ist.Furthermore, a central outlet opening can be formed on the longitudinal axis of the nozzle body. Such a central nozzle opening is acted upon by an additional tip on the high voltage electrode in this area with an electric field, as is known from the prior art in single-hole nozzles.
Vorzugsweise ist der Düsenkörper rotationssymmetrisch um seine Längsachse ausgebildet und weist eine sich verjüngende, beispielsweise kegelstumpfartige, Form im Bereich der Düsenöffnungen auf. Bei einer rotationssymmetrischen Ausgestaltung des Düsenkörpers bzw. des Innenvolumens ist die vorliegende Hochspannungselektrode vorzugsweise annähernd tellerförmig ausgebildet. Eine derartige Ausgestaltung lässt sich technisch sehr einfach realisieren und ist unempfindliche gegenüber thermischem Verzug.Preferably, the nozzle body is rotationally symmetrical about its longitudinal axis and has a tapered, for example frustoconical, shape in the region of the nozzle openings. In a rotationally symmetrical configuration of the nozzle body or of the inner volume, the present high-voltage electrode is preferably formed approximately plate-shaped. Such a configuration is technically very easy to implement and is insensitive to thermal distortion.
Beim Betrieb der Vorrichtung wird das flüssige Medium dem Innenvolumen unter Druck zugeführt, der Düsenkörper auf Massepotential gelegt und die Hochspannungselektrode mit einer Hochspannung beaufschlagt, die eine elektrostatische Aufladung des flüssigen Mediums in einer Größe bewirkt, die aufgrund der zusätzlichen elektrostatischen Aufladung zu einem Zerplatzen von aus der oder den Düsenöffnungen austretenden Tropfen führt.During operation of the device, the liquid medium is supplied to the inner volume under pressure, the nozzle body is set to ground potential and the high voltage electrode is subjected to a high voltage, which causes an electrostatic charge of the liquid medium in a size, due to the additional electrostatic charge to a burst of the drop or the nozzle openings exiting drops leads.
In einer dem Betriebsverfahrens dieser Zerstäubungsvorrichtung wird die Hochspannungselektrode mit einer gepulsten Hochspannung mit variablem Tastverhältnis (Dauer der Hochspannung / Periodendauer) und / oder, in besonderen Ausführungsform, mit variabler Hochspannung beaufschlagt, wobei die Zerstäubungsqualität durch Veränderung des Tastverhältnisses der Hochspannung gezielt beeinflusst wird. Auch eine gezielte Modulation der Hochspannung und/oder der Tastrate durch eine bestimmte Pulsfrequenz ist denkbar. Eine derartige Einflussnahme bietet sich insbesondere zur Dämpfung von Verbrennungsinstabilitäten beim Betrieb einer Gas- oder Dampfturbinenanlage an, wobei im Start- oder Teillastbetrieb aufgrund des niedrigeren Brennstoffdruckes das Tastverhältnis erhöht und bei stärkerem Teillast- oder Volllastbetrieb das Tastverhältnis erniedrigt wird. Durch diese Maßnahme kann eine annähernd konstante Zerstäubungsqualität während des gesamten Betriebsbereiches erreicht werden, da im Volllastbetrieb der hohe Druck bereits ohne elektrostatische Zerstäubung zu einer hohen Zerstäubungsqualität führt, während bei niedrigerem Druck im Start- oder niederen Teillastbetrieb die geringere Druckzerstäubungsqualität durch die zusätzliche elektrostatische Zerstäubung erhöht wird.In a method of operation of this sputtering apparatus, the high voltage electrode is pulsed at high voltage with a variable duty cycle (duration of high voltage / period). and / or, in particular embodiment, subjected to variable high voltage, wherein the sputtering quality is selectively influenced by changing the duty cycle of the high voltage. A targeted modulation of the high voltage and / or the sampling rate by a specific pulse rate is conceivable. Such an influence is particularly suitable for damping combustion instabilities during operation of a gas or steam turbine plant, the duty cycle being increased during startup or part load operation due to the lower fuel pressure and the duty ratio being lowered in the case of heavy partial load or full load operation. By this measure, an approximately constant atomization quality can be achieved throughout the operating range, since at high load operation, the high pressure already without electrostatic atomization leads to a high atomization quality, while at lower pressure in the start or low part load operation, the lower Druckzerstäubungsqualität increased by the additional electrostatic atomization becomes.
Eine Veränderung der Zerstäubung im Teillastbetrieb kann auch durch Veränderung der Hochspannung beeinflusst werden, beispielsweise indem diese von 10 kV auf > 20kV erhöht wird.A change in the atomization in partial load operation can also be influenced by changing the high voltage, for example by increasing it from 10 kV to> 20 kV.
Die vorliegende Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren zeichnen sich daher durch eine einfache Konstruktion aus, die insbesondere das Prinzip der elektrostatischen Zerstäubung auch bei Mehrloch-Druckdüsen ermöglicht. Der Aufbau der Vorrichtung mit der umlaufenden scharfen Kante ist wesentlich unempfindlicher gegen thermischen Verzug als ein Aufbau mit für jede Düsenöffnung getrennt vorgesehenen Kegelspitzen.The present device and the associated method are therefore characterized by a simple construction, which allows in particular the principle of electrostatic atomization even with multi-hole pressure nozzles. The structure of the device with the circumferential sharp edge is much less susceptible to thermal distortion than a structure with separately provided for each nozzle opening cone tips.
Die Vorrichtung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- ein Beispiel für den relativen Brennstoff-Massenstrom und -druck in Abhängigkeit von der Leistung einer Gasturbine;
- Fig. 2
- schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung;
- Fig. 2a
- schematisch den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung;
- Fig. 3
- schematisch eine Prinzipdarstellung des elektrostatischen Zerstäubens;
- Fig. 4
- Beispiele für die Wirkung des Einsatzes der vorliegenden Vorrichtung auf die Zerstäubungsqualität und
- Fig. 5
- Die Ansicht einer Hochspannungselektrode mit einem gezacktem Verlauf der scharfen Kante gemäss der Ansicht V-V der
.Figur 2
- Fig. 1
- an example of the relative fuel mass flow and pressure versus gas turbine power;
- Fig. 2
- schematically the structure of a first embodiment of the device;
- Fig. 2a
- schematically the structure of a second embodiment of the device;
- Fig. 3
- schematically a schematic diagram of the electrostatic sputtering;
- Fig. 4
- Examples of the effect of the use of the present device on the atomization quality and
- Fig. 5
- The view of a high voltage electrode with a serrated curve of the sharp edge according to the VV view of
FIG. 2 ,
Es versteht sich von selbst, dass diese Kante 3a in unmittelbarer Nachbarschaft zu der oder den Düsenöffnungen 2 verlaufen muss, um die gewünschte elektrostatische Aufladung des flüssigen Mediums unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung bewirken zu können.It goes without saying that this
Gemäss der
Wird an diese Hochspannungselektrode 3 eine Hochspannung angelegt, so bildet sich an der scharfen Kante 3a ein elektrisches Feld mit besonders hoher Feldstärke aus. Diese hohe Feldstärke ermöglicht das Austreten von Elektronen aus der Elektrode und somit eine Aufladung des Öles, welches die Elektrode umströmt. Durch die Nähe der scharfen Kante 3a zum Düsenkörper 1, der auf Massepotential liegt, und den Düsenöffnungen 2 wird das Brennöl unmittelbar vor dem Austritt aus den Düsenöffnungen elektrostatisch aufgeladen, so dass es diese elektrostatische Aufladung beim Austritt aus der Düse im Wesentlichen noch beibehalten kann.
Der Abstand der scharfen Kante 3a vom Düsenkörper 1 muss in Abhängigkeit von der angelegten Hochspannung und den elektrischen Eigenschaften des eingesetzten flüssigen Mediums selbstverständlich so gewählt werden, dass kein elektrischer Durchschlag zum Düsenkörper 1 stattfindet. Auf der anderen Seite muss diese scharfe Kante 3a möglichst nahe am Düsenkörper 1 positioniert werden, um die gewünschte Größe des elektrischen Feldes erreichen zu können. In der Regel werden beim Einsatz einer derartigen Mehrloch-Düse in Brennern von Gasturbinen eine Hochspannung U > 10 kV und ein Abstand in der Größenordnung von 1 mm zwischen der scharfen Kante 3a und dem Düsenkörper 1 gewählt werden.When a high voltage is applied to this
The distance of the
Mit der vorgeschlagenen Technik gelingt es auch bei geringerem Druck in der Düse ausreichende Zerstäubungsgüten zu erreichen. Somit ist eine Entkopplung von Durchsatz des flüssigen Mediums und Zerstäubung bzw. Zerstäubungsqualität möglich.With the proposed technique it is possible to achieve sufficient Zerstäubungsgüten even at lower pressure in the nozzle. Thus, a decoupling of throughput of the liquid medium and atomization or atomization quality is possible.
In dem Betriebsverfahrens dieser Zerstäubungsvorrichtung wird die Hochspannungselektrode 3 mit einer gepulsten Hochspannung mit variablem Tastverhältnis (Dauer der Hochspannung / Periodendauer) und / oder, in einer besonderen Ausführungsform, mit variabler Hochspannung beaufschlagt, wobei die Zerstäubungsqualität durch Veränderung des Tastverhältnisses der Hochspannung gezielt beeinflusst wird. Auch eine gezielte Modulation der Hochspannung und/oder der Tastrate durch eine bestimmte Pulsfrequenz ist denkbar. Eine derartige Einflussnahme bietet sich insbesondere zur Dämpfung von Verbrennungsinstabilitäten beim Betrieb einer Gas- oder Dampfturbinenanlage an, wobei im Start- oder Teillastbetrieb aufgrund des niedrigeren Brennstoffdruckes das Tastverhältnis erhöht und bei stärkerem Teillast- oder Volllastbetrieb das Tastverhältnis erniedrigt wird. Durch diese Maßnahme kann eine annähernd konstante Zerstäubungsqualität während des gesamten Betriebsbereiches erreicht werden, da im Volllastbetrieb der hohe Druck bereits ohne elektrostatische Zerstäubung zu einer hohen Zerstäubungsqualität führt, während bei niedrigerem Druck im Start- oder niederen Teillastbetrieb die geringere Druckzerstäubungsqualität durch die zusätzliche elektrostatische Zerstäubung erhöht wird.In the method of operation of this sputtering apparatus, the high-
Eine Veränderung der Zerstäubung im Teillastbetrieb kann auch durch Veränderung der Hochspannung beeinflusst werden, beispielsweise indem diese von 10 kV auf > 20kV erhöht wird.A change in the atomization in partial load operation can also be influenced by changing the high voltage, for example by increasing it from 10 kV to> 20 kV.
Im linken Teil der Figur ist der Betrieb der Vorrichtung ohne das Anlegen einer Hochspannung, d.h. als herkömmliche Mehrloch-Druckdüse aufgezeigt. Während bei einem hohen Brennstoffdurchsatz von 3,95 l/min entsprechend einem Druck in der Düse von 30*105 Pa (30 bar) eine ausreichende Zerstäubung ersichtlich ist (unterer Teil der Figur), ist bei einem geringeren Brennstoffdurchsatz von nur 1,32 l/min entsprechend einem Druck von 3,5*105 Pa (3,5 bar) kaum eine Zerstäubung des Brennstoffes zu erreichen.
Durch die Beaufschlagung der Hochspannungselektrode mit einer entsprechenden Hochspannung von 13,9 kV im oberen Teil und 16,9 kV im unteren Teil der Figur lässt sich eine deutlich bessere Zerstäubung erreichen, wie durch den Vergleich mit den jeweils gegenüberliegenden Figuren bei gleichem Brennstoffdurchsatz ersichtlich ist. Gerade bei geringem Brennstoffdurchsatz lässt sich mit der vorliegenden Vorrichtung eine deutliche Verbesserung der Zerstäubungsqualität erreichen, wie in der
In the left part of the figure, the operation of the device without the application of a high voltage, that is shown as a conventional multi-hole pressure nozzle. While sufficient atomization can be seen with a high fuel flow rate of 3.95 l / min, corresponding to a pressure in the nozzle of 30 * 10 5 Pa (30 bar) (lower part of the figure), with a lower fuel flow rate of only 1.32 l / min accordingly a pressure of 3.5 * 10 5 Pa (3.5 bar) hardly achieve atomization of the fuel.
By applying the high-voltage electrode with a corresponding high voltage of 13.9 kV in the upper part and 16.9 kV in the lower part of the figure, a much better atomization can be achieved, as can be seen by comparison with the respective opposite figures with the same fuel flow. Especially with low fuel throughput can be achieved with the present device, a significant improvement in atomization quality, as in the
Die vorliegende Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren zeichnen sich daher durch eine einfache Konstruktion aus, die insbesondere das Prinzip der elektrostatischen Zerstäubung auch bei Mehrloch-Druckdüsen ermöglicht. Der Aufbau der Vorrichtung mit der umlaufenden scharfen Kante 3a ist wesentlich unempfindlicher gegen thermischen Verzug als ein Aufbau mit für jede Düsenöffnung getrennt vorgesehenen Kegelspitzen.The present device and the associated method are therefore characterized by a simple construction, which allows in particular the principle of electrostatic atomization even with multi-hole pressure nozzles. The construction of the device with the peripheral
- 11
- Düsenkörpernozzle body
- 1a1a
- Längsachselongitudinal axis
- 22
- Düsenöffnungnozzle opening
- 2a2a
- Düsenöffnung, zentralNozzle opening, central
- 33
- HochspannungselektrodeHigh-voltage electrode
- 3a3a
- Scharfe KanteSharp edge
- 3b3b
- Spitzetop
- 44
- Innenvolumeninternal volume
- 55
- Elektrostatisch zerstäubtes SprayElectrostatically atomized spray
- 66
- Nicht elektrostatisch geladener TropfenNon-electrostatically charged drops
- 77
- Elektrostatisch geladener TropfenElectrostatically charged drop
Claims (12)
- Apparatus for atomizing a liquid medium, comprising- an electrically conductive nozzle body (1), which has an internal volume (4) for admitting the liquid medium,- at least one nozzle opening (2) for the discharge of liquid medium, and- a high-voltage electrode (3) which is arranged coaxially with respect to a longitudinal axis (1a) of the nozzle body (1) in the internal volume (4) and, in the area of its greatest lateral extent, has a circumferential edge with an edge angle in order to electrostatically charge liquid medium flowing past it, immediately before emerging from the nozzle opening (2),characterized
in that the edge angle is less than 90°, and the edge runs at a short distance from the nozzle body (1), in order to electrostatically charge the liquid medium flowing past it. - Apparatus according to Claim 1,
characterized
in that a plurality of nozzle openings (2) are provided for the liquid medium to emerge from. - Apparatus according to Claim 2,
characterized
in that the nozzle openings (2) are arranged distributed on one plane over the circumference of the nozzle body, in or in the vicinity of which plane the sharp edge (3a) of the high-voltage electrode (3) runs. - Apparatus according to Claim 3,
characterized
in that at least one further nozzle opening (2a) is arranged on the longitudinal axis (1a) of the nozzle body (1), with the high-voltage electrode (3) forming a point (3b) in this area. - Apparatus according to one of Claims 1 to 4,
characterized
in that the nozzle body (1) has a tapering shape in the area of the nozzle openings (2). - Apparatus according to one of Claims 1 to 5,
characterized
in that the high-voltage electrode (3) is essentially in the form of a plate. - Apparatus according to one of Claims 1 to 6,
characterized
in that the circumferential sharp edge (3a) of the high-voltage electrode (3) has a jagged profile with points. - Method for atomizing a liquid medium using an apparatus according to one of Claims 1 to 7, in which- the liquid medium is supplied to the internal volume (4) of the apparatus under pressure,- the nozzle body (1) is at earth potential, and- the high-voltage electrode (3) has a high voltage applied to it which results in the liquid medium being electrostatically charged to such an extent that this leads to bursting of droplets emerging from the nozzle opening or openings, because of the electrostatic charge,characterized in that
the high-voltage electrode has a pulsed high voltage applied to it at a variable duty ratio, with the atomizing quality being influenced by varying the duty ratio of the high voltage. - Method according to Claim 8,
characterized
in that the high-voltage electrode (3) has a pulsed high voltage applied to it with a variable duty ratio and with a variable high voltage, with the atomizing quality being influenced by varying the duty ratio of the high voltage. - Method according to Claim 9,
characterized
in that the duty ratio is increased if the pressure of the liquid medium decreases, and is reduced if the pressure of the liquid medium is increased. - Method according to Claim 9 for atomizing liquid fuel in the combustion chamber of a gas turbine,
characterized
in that a higher duty ratio is set during starting or during partial-load operation of the gas turbine than when the gas turbine is being operated on full load. - Method according to Claim 8 for atomizing liquid fuel in the combustion chamber of a gas turbine,
characterized
in that the atomizing quality when the gas turbine is being operated on partial load is influenced by varying the high voltage.
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