EP1802915B1

EP1802915B1 - Brenner für gasturbine

Info

Publication number: EP1802915B1
Application number: EP05801354.1A
Authority: EP
Inventors: Peter Flohr; Gijsbertus Oomens; Bettina Paikert; Christian Steinbach
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: US7520745B2; CA2584270C; CA2584270A1; CN101044355A; JP2008517241A; EP1802915A2; WO2006042796A3; US20070207431A1; MX2007004119A; CN100559080C; MY138700A; WO2006042796A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner für eine Gasturbine, insbesondere eine Düse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in einem Vormischbrenner mit einem kegelförmigen Drallerzeuger und einer darauffolgenden, zylindrischen Mischstrecke.

Stand der Technik

Vormischbrenner mit einem kegelförmigen Drallerzeuger und einer darauffolgenden zylindrischen Mischstrecke sind zum Beispiel aus EP 918191 bekannt. Der Drallerzeuger, der als Vormischstrecke dient, weist kegelförmige ineinander geschachtelte Teilkörper auf, deren Längsachsen jeweils voneinander versetzt sind. Komprimierte Verbrennungsluft gelangt durch tangentiale Einströmungskanäle zwischen den Wandungen der kegelförmigen Teilkörper in den Mischraum des Drallerzeugers. Ein Brennstoff wird über eine oder mehrere Düsen oder auch über Brennstoffleitungen entlang der tangentialen Lufteinströmungskanäle in den Mischraum eingebracht und dort mit der Luft vermischt. Eine weitere Vormischung von Luft und Brennstoff wird in der darauffolgenden Mischstrecke erzielt, indem sie dank verlustfreier Strömungsführung eine hohe Mischungsgüte bewirkt. Die Mischstrecke erfüllt ausserdem die Funktion, ein Rückschlagen der Flamme aus der Brennkammer, in den die Mischstrecke mündet, zu vermeiden.
Ein weiterer Vormischbrenner dieser Art ist in DE 103 55 930 offenbart. Der Auslassbereich der Mischstrecke ist dort mit Wellungen ausgestaltet, die axiale Wirbel erzeugen und dadurch die Turbulenz im Auslassbereich und die Strömungsstabilität beeinflussen. Der Brennstoff wird axial über eine Düse in den kegelförmigen Drallerzeuger eingebracht, wobei die Düsenöffnung auf der Längsachse des Vormischbrenners liegt.
DE 197 30 617 offenbart eine zweistufige Druckzerstäuberdüse zur Anwendung in der Verbrennungstechnik mit zwei koaxialen Rohren und einer Mischkammer, in die zwei Zuführkanäle führen. Eine Düsenaustrittsbohrung liegt auf der Achse der Düsenrohre und besitzt einen Durchmesser in gegebenem Verhältnis zum Durchmesser der Zuführkanäle.
DE 44 40 558 offenbart einen Vormischbrenner mit einem kegelförmigen Drallerzeuger. Der Brennstoff wird über eine Düse mit Öffnungen, die nicht auf der Längsachse der Düse liegen, eingebracht. Der Winkel zwischen den resultierenden Sprühkegeln und der Längsachse der Düse ist insbesondere grösser als der Ausbreitungswinkels des Kegelteils des Drallerzeugers. Die genannte Brennstoffdüse ist spezifisch für einen Vormischbrenner ohne zylindrische Mischstrecke ausgebildet.
EP 899 508 offenbart einen Vormischbrenner mit einem Drallerzeuger mit zylindrisch gebildeter Mischstrecke wie eingangs beschrieben und insbesondere eine Brennstoffdüse mit Düsenrohren 104, welche je einen Brennstoffstrahl mit einem Eindüsungswinkel gegenüber der zentralen Achse der Brennstoffdüse erzeugen, der gleich dem Ausbreitungswinkel des Kegels des Drallerzeugers ist.
EP 902233 offenbart eine kombinierte Druckzerstäuberdüse für einen Gasturbinenbrenner mit Drallerzeuger, dessen Düsenkörper zwei separate Zuführkanäle aufweist, von denen je eine Austrittsöffnung in den Mischraum des Brenners führt. Der Düsenkörper besitzt also zwei unterschiedliche Düsen, eine radial äussere Mehrloch-Düse mit dezentral angeordneten Austrittsöffnungen und eine zentrale, auf der Längsachse liegende Düse mit einer zentral angeordneten Austrittsöffnung. Die dezentral angeordneten Austrittsöffnungen sind so positioniert, dass die Sprühkegel in den Nachlauf der Kegelschalen des Drallerzeugers gerichtet sind. Diese Düse wird bei Vollast über die dezentral positionierten Austrittsöffnungen betrieben. Bei Teillast wird die Düse auf die zentralen Austrittsöffnungen umgeschaltet, um eine Auftragung von Brennöltröpfchen an den Wandungen des Drallerzeugers zu vermeiden.
DE 19536837 offenbart eine Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoffen mit einer Drallkammer innerhalb der Einspritzvorrichtung oder Düse. Ein axial verlaufender Luftzufuhrkanal 5 sowie ein parallel zur Längsachse der Düse verlaufender Brennstoffkanal 2 führt in diese Drallkammer 1, in der Luft und Brennstoff in einer ersten Phase bereits innerhalb der Düse vermischt werden. Die Drallkammer weist in Strömungsrichtung eine konusförmige Verengung auf, durch die das Luft-Brennstoffgemisch strömt und schliesslich über eine auf der Längsachse der Düse liegenden Austrittsöffnung in einen Brennermischraum gelangt. Die einzige Austrittsöffnung aus der Düse ist auf der Längsachse der Düse angeordnet.

Darstellung der Erfindung

Es ist aus dem genannten Stand der Technik der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gestellt, für einen Vormischbrenner der eingangs genannten Art mit kegelförmigem Drallerzeuger und darauffolgender zylindrischer Mischstrecke, die in eine Brennkammer mündet, sowie Öffnungen für eine Lufteinströmung entlang den Kegelteilen des Drallerzeugers, eine geeignete Hochdruck-Zerstäuberdüse zu schaffen. Insbesondere soll die Düse in Anbetracht des genannten Standes der Technik so weiterentwickelt werden, dass

eine Tröpfchengrössenverteilung des zerstäubten Flüssigbrennstoffs erzielt wird, die eine vollständige Verdampfung der Tröpfchen ermöglicht, bevor es zur Verbrennung in der Brennkammer kommt,
eine genügende Eindringtiefe der Brennstofftröpfchen im Mischraum des Vormischbrenners garantiert ist,
durch die ersten zwei Eigenschaften tiefe Schadstoffemissionen, insbesondere von NO_x, erreicht werden,
möglichst keine Tröpfchen an die Wände des Vormischbrenners gelangen.

Für den oben genannten Vormischbrenner ist erfindungsgemäss eine Hochdruck-Zerstäuberdüse vorgeschlagen, die einen oder mehrere Brennstoffkanäle für die Zuführung von flüssigem Brennstoff in einen Innenraum der Düse aufweist, wobei der Flüssigbrennstoff unter einem Druck von mehr als 50 bar bei Vollast ist. Die Hochdruck-Zerstäuberdüse weist mindestens zwei Austrittskanäle und -öffnungen, durch die der Flüssigbrennstoff von einem einzigen Innenraum in der Düse in den Mischraum des Drallerzeugers austritt, wobei die Austrittskanäle bezüglich der Längsachse der Düse dezentral angeordnet sind, sodass der austretende Sprühkegel auf den Nachlauf der einzelnen Kegelschalen gerichtet ist. Erfindungsgemäss sind die Austrittskanäle und -öffnungen der Düse so angeordnet und ausgebildet, dass die von den Austrittsöffnungen ausgehenden Sprühkegel eine Längsachse aufweisen, die in einem Winkel bezüglich der Längsachse des Drallerzeugers und der Mischstrecke verlaufen, der kleiner als der Kegelhalbwinkel des Drallerzeugers ist.
Die erfindungsgemässe Anordnung der Austrittsöffnungen in dem genannten Winkelbereich erbringt den Vorteil, dass die Brennstofftröpfchen nicht an die Wände des Vormischbrenners gelangen und ein Verkoken von Brennöltröpfchen an den Wänden des Drallerzeugers vermieden wird. Zusätzlich wird erzielt, dass der Brennstoffkegel in einem Scherwinkel auf die zwischen den Kegelteilen des Drallerzeugers einströmende Luft trifft, der klein genug ist, dass der zerstäubte Brennstoffstrom ein hohe Geschwindigkeit beibehält und dadurch eine hohe Eindringtiefe in den Vormischbrenner und in die Brennkammer erzielt. Ein zu grosser Ausrichtungswinkel der Sprühkegel bezüglich der Längsachse des Drallerzeugers würde hingegen dazu führen, dass der zerstäubte Brennstoff schon früher auf die Lufteinströmung trifft und durch die Luftströmung zum Zentrum des Drallerzeugers gelenkt würde. Die Ausrichtung der Austrittsöffnungen in dem genannten Winkel bezüglich der Längsachse des Vormischbrenners zusammen mit dem hohen Druck des Brennstoffs führt dazu, dass auf die erste Zerstäubung beim Düsenaustritt eine zweite Zerstäubung, also eine sehr hoher Grad der Zerstäubung, erzielt wird und dadurch kleine Tröpfchengrössen und eine rasche Verdampfung resultieren. Diese Merkmale der Zerstäubung führen zu einer direkten Vermischung des Brennstoffs mit der komprimierten Luft im Kegelteil des Vormischbrenners sowie zu einer guten homogenen Mischung mit der komprimierten Verbrennungsluft am Ende der Mischstrecke. Diese Merkmale führen insgesamt zu tiefen Schademissionswerten.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Austrittskanäle so ausgerichtet, dass die Längsachsen der einzelnen resultierenden Sprühkegel in einem Winkel bezüglich der Längsachse des Drallerzeugers verlaufen, der kleiner als der Halbwinkel der Kegelschalen und grösser 10° ist. In einer spezifischen Ausführung liegt dieser Winkel in einem Bereich von 10° bis 18°.
Ein Minimalwert für diesen Winkel bewirkt, dass der Brennstoffsprühkegel nicht zu nahe in das Zentrum des Drallerzeugers reicht. Gelangt nämlich der zerstäubte Brennstoff zu nahe ins Zentrum ergeben sich für den Vormischbrenner höhere Schadstoffemissionswerte.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Düse in ihrem Inneren einen Zufuhrkanal für Brennstoff auf, der in einen einzigen Innenraum der Düse führt.
Dieser Innenraum ist über die mindestens zwei Austrittskanäle mit dem Innenraum des Drallerzeugers verbunden. Die mindestens zwei Austrittskanäle der Düse sind vorzugsweise bezüglich der Düsenachse in der radial äusseren Hälfte bezüglich der Längsachse der Düse angeordnet. Dies bewirkt, dass Brennstoff weniger ins Zentrum des Drallerzeugers gelangt. Zweckmässigerweise sind die Öffnungen symmetrisch bezüglich der Längs- oder Zentralachse der Düse positioniert, sodass insgesamt ein achs-symmetrischer hohler Sprühkegel gebildet wird. Die Ausrichtung der einzelnen Sprühkegel ist wiederum in einem Winkel kleiner als der Kegelwinkel des Drallerzeugers.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen die Hochdruck-Zerstäuberdüse und insbesondere ihre Austrittskanäle eine spezifische Innengeometrie auf, die zu den gewünschten Stabilität des Sprühkegels und Eindringtiefen beiträgt. Hierzu weist die Düse Austrittskanäle auf, die von ihrem Innenraum durch die Düsenwandung in den Innenraum des Drallerzeugers führen, wobei die Austrittskanäle in Strömungsrichtung eine erste zylindrische Strecke, eine konisch gebildete Verengung und schliesslich eine zweite zylindrische Strecke aufweisen. Die Verengung besitzt dabei einen vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Austrittskanals. Vorzugsweise beträgt dieser Halbwinkel der konischen Verengung weniger als 45°. Die Längsachsen der Austrittskanäle verlaufen jeweils in einem Winkel zur Düsenlängsachse, der kleiner ist als der Halbwinkel der Kegelteile des Drallerzeugers. Die innere Geometrie der Austrittskanäle erbringt den Vorteil einer Vermeidung von Turbulenzen sowie von Kavitationseffekten.
Die erfindungsgemässe Hochdruck-Zerstäuberdüse unterscheidet sich vom Stand der Technik, beispielsweise von EP 902233 dadurch, dass die Düse insgesamt stark vereinfacht ausgebildet ist. Ihr Innenraum besteht nur aus einer einzigen Innenkammer, was zu reduzierter Turbulenz am Düsenaustritt und einem stabileren Sprühkegel führt. Sie verfügt lediglich über eine Gruppe von Austrittsöffnungen, durch die der Flüssigbrennstoff für alle verschiedenen Betriebssituationen und Lasten versprüht wird. Hierzu verfügen die Austrittsöffnungen jedoch über die spezifische, erfindungsgemässe Innengeometrie sowie Ausrichtung bezüglich der Längsachse des Vormischbrenners.
In einer ersten spezifischen und bevorzugten Ausführung bestehen die Austrittskanäle aus Rohren, die vom Innenraum der Düse durch deren Wandung führen und sich über die Oberfläche der Düse hinaus erstrecken. In einer ersten Variante besitzen die Rohre eine Länge, sodass sie nur über die Oberfläche der Düse hinausragen, jedoch kürzer als die Düsenspitze sind. In einer weiteren Variante erstrecken sie sich über die Spitze der Düse hinaus.
In einer zweiten spezifischen Ausführung führen die Austrittskanäle mit genannten zylindrischen Strecken und konischer Verengung vom Innenraum der Düse durch die Wandung, wobei die Austrittsöffnung an der Aussenoberfläche der Düse liegt. In dieser Ausführung ist die Aussenwand der Düsenspitze konisch gebildet.
Die Innengeometrie der Austrittskanäle und insbesondere die Verengung von gegebenem Winkel vor der Austrittsöffnung in den Drallerzeuger bewirkt eine Reduktion von Turbulenzen im Sprühkegel sowie einen kleineren Ausbreitungswinkel des Sprühkegels. Dies ermöglicht einen Sprühkegel mit einem gleichmässigeren Geschwindigkeitsprofil. Schliesslich ermöglicht die erhöhte Strömungsstabilität im Sprühkegel zu einer verbesserten Platzierung des Brennstoffs im Vormischbrenner und damit zu verbesserten Flammenbedingungen.
In einer weiteren Ausführung besitzen die zweiten zylindrischen Strecken der Austrittskanäle jeweils eine Länge, die maximal das Fünffache des Durchmessers der Austrittsöffnungen beträgt. Ein solches Verhältnis von Länge zu Durchmesser trägt einer Verbesserung des Strömungsprofils sowie der Strömungsstabilität bei. In einer spezifischen Ausführung die Austrittsöffnungen einen Durchmesser von 0.5 - 1.5 mm auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist zusammen mit den genannten Innengeometrien der Austrittskanäle der Düse die Aussenwand der Düsenspitze gerundet ausgebildet, vorzugsweise im Querschnitt ovalförmig. Die gerundete Form erbringt hinsichtlich der Lufteinströmung weitere Vorteile, indem die Luftströmung dieser Form der Aussenwand der Düse gleichmässig folgen kann und sich nach der Düse entsprechend wenig Wirbel oder Rezirkulationen bilden. Dies erhöht die Homogenität der Vermischung von Luft und Brennstoff, was eine Senkung der NOx-Emissionswerte bewirkt.
Eine reduzierte Rezirkulation nachfolgend der Düse beeinflusst schliesslich auch den Drall am Ende der zylindrischen Mischstrecke und führt zu einer aerodynamischen Stabilisierung der Flamme in der Brennkammer. Eine solche Stabilisierung ermöglicht eine grössere Freiheit in den Betriebsparametern des Brenners.
In einer Variante der Erfindung weist der Vormischbrenner in der Zylinderwand der Mischstrecke, die dem Drallerzeuger in Strömungsrichtung folgt, weitere Öffnungen für den Einlass von komprimierter Luft auf.
In einer weiteren Variante weist der Vormischbrenner weitere Lufteinlasskanäle auf, die unmittelbar entlang der Hochdruck-Zerstäuberdüse verlaufen und dort Luft in den Mischraum des Drallerzeugers führen. Durch diese Massnahme wird eine Rezirkulationszone erst nach der Mischstrecke gebildet, was eine weitere Stabilisierung der Flamme herbeiführt.
Die Hochdruck-Zerstäuberdüse gemäss der Erfindung eignet sich nicht nur zur Anwendung in einem Vormischbrenner mit Drallerzeuger mit darauffolgender Mischstrecke, sondern auch für einen Vormischbrennen mit Drallerzeuger allein ohne Mischstrecke. In einer Anwendung dieser Art, ist die Hochdruck-Zerstäuberdüse so angeordnet, dass ihre Spitze bis zur Hälfte der Länge des Drallerzeugers oder über deren Hälfte hinaus ragt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Vormischbrenner mit einem kegelförmigen Drallerzeuger und darauffolgender Mischstrecke,
Figur 2 einen Schnitt durch den Vormischbrenner und Düsenspitze gemäss II-II in Figur 1,
Figur 3a einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemässen Düse,
Figur 3b eine Detailansicht der Innengeometrie der Düse von Figur 3a,
Figur 3c eine Variante der Ausführung von Figur 3a
Figur 4 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführung der Hochdruck-Zerstäuberdüse und ihrer Innengeometrie,
Figur 5 eine Anwendung der Düse in einem Vormischbrenner mit kegelförmigem Drallerzeuger ohne darauffolgende Mischstrecke.

Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt einen Vormischbrenner, beispielsweise für eine Gasturbine. Er weist einen kegelförmigen Drallerzeuger 1 und eine darauffolgende zylindrische Mischstrecke 2 auf, die in einen Brennkammerraum 3 mündet. Der Drallerzeuger 1 besteht in diesem Beispiel aus vier ineinander geschachtelten Kegelteilen 4a, 4b,4c, 4d, von denen in Figur 1 die Kegelteile 4b und 4d ersichtlich sind. Die individuellen Längsachsen der Kegelteile sind jeweils voneinander sowie von der Längsachse 5 des Drallerzeugers versetzt angeordnet, wie aus Figur 2 entnehmbar. Die Kegelteile 4a-d verlaufen jeweils in einem Winkel α zur Längsachse 5 des Drallerzeugers 1. Sie bilden miteinander entlang ihrer Längskanten jeweils Zwischenräume 6, die zur Einbringung von komprimierter Verbrennungsluft verwendet werden, deren Strömungsverlauf durch die Pfeile 7 angedeutet ist. Am Auslass des Drallerzeugers 1 sind Bleche 8 angeordnet zwecks Bildung von Übergangskanälen in die Mischstrecke 2.
Eine Hochdruck-Zerstäuberdüse 10 ist zur Einbringung von flüssigem Brennstoff in den Drallerzeuger 1 in der Anfangspartie des kegelförmigen Drallerzeugers angeordnet. Diese ist gemäss den folgenden Figuren 3a-c und Figur 4 so ausgebildet, dass eine Ausrichtung der erzeugten Sprühkegel 11 in einem Winkel β bezüglich der Längsachse 5 des Drallerzeugers erzielt wird, wobei der Winkel β kleiner als der Winkel α, oder dem Halbwinkel der Kegelteile des Drallerzeugers, ist. Durch diese Ausrichtung der Sprühkegel wird eine Benetzung der Wände des Drallerzeugers durch Brennöltröpfchen und ein Verkoken der Wände vermieden. In der Figur 1 sind weitere Öffnungen 14 in der Aussenwand der zylindrischen Mischstrecke 2 zur Zufuhr von Luft in die Mischstrecke angeordnet. Diese bewirken eine Stabilisierung der Flamme und vermeiden einen Flammenrückschlag.
Figur 2 zeigt im Querschnitt II-II den Drallerzeuger 1 mit Kegelteilen 4a-d und der zentral auf der Längsachse des Drallerzeugers angeordneten Hochdruck-Zerstäuberdüse 10. Pfeile 7 deuten die Lufteinströmung in den Innenraum des Drallerzeugers an. Auf der Düse 10 sind Positionen 12a-d dezentral der Längsachse der Brennstoffdüse 10 angezeigt, an denen Brennstoff austritt. Im gezeigten Beispiel sind vier Öffnungspositionen dargestellt, wobei beispielsweise auch zwei oder beliebig mehr Positionen möglich sind. Die Austrittsöffnungen sind derart positioniert, dass der austretende Sprühkegel zum Nachlauf der einzelnen Kegelteile 4a-d gerichtet ist. Hierzu sind die Austrittsöffnungen jeweils auf Hilfslinien 13a-d angeordnet, die in einem rechten Winkel zur Tangente des Endteils der Kegelschalen 4a-d verlaufen. Diese Positionierung der Austrittsöffnungen und Sprühkegel bewirkt, dass die Sprühkegel von den eintretenden Luftströmungen 7 so erfasst werden, dass der versprühte Brennstoff eine grosse Eindringtiefe im Vormischbrenner erreicht. Eine andere Positionierung der Sprühkegel würde andererseits dazu führen, dass die Sprühkegel im Vergleich zur gezeigten Ausrichtung früher von den Luftströmungen erfasst würden und eher ins Zentrum des Vormischbrenners gelenkt würden, was zu höheren Emissionswerten führt.
Figur 3a zeigt eine bevorzugte Hochdruck-Zerstäuberdüse gemäss der Erfindung mit äusserer gerundeter Spitze 31 und einem Innenraum 32, der zur Spitze hin eine konisch geformte Innenwand 33 aufweist. Vom Innenraum 32 führen zwei oder mehr Rohre 34 durch die Düsenwandung in den Innenraum des Drallerzeugers, wobei die Längsachsen 38 der Rohre 34 in einem Winkel β zur Längsachse 5 der Düse und des Drallerzeugers verlaufen. In einer ersten Variante erstrecken sich die Rohre 34 über eine Länge, sodass sie über die Spitze der Düse hinausragen. Die Aussenwand der Endpartien der Rohre sind jeweils vorzugsweise gerundet ausgebildet.
Figur 3b zeigt eine zweite Variante, bei der zwei oder mehr Rohre 34' sich nur knapp über die Aussenwand der Düse 10 sich erstrecken, sodass sie sich weniger weit in den Drallerzeuger erstrecken als die Düsenspitze selbst.
In beiden Varianten ist die Düsenspitze gerundet gebildet. Die Strömung von Luft, die durch Einlasskanäle unmittelbar entlang der Düse eingebracht wird, wird durch diese Art Düsenspitze im Bereich und nachfolgend der Düse positiv beeinflusst. Insbesondere werden Luftrezirkulationen im Bereich der Düse und nachfolgend der Düse reduziert, wodurch die Vermischung von Brennstoff und Luft verbessert und die NO_x-Emissionswerte reduziert werden.
Figur 3c zeigt im Detail die Innengeometrie der Düsenrohre 34. Diese weisen in einer Anfangspartie eine vom Innenraum der Düse wegführende erste zylindrische Strecke 35 auf. In Strömungsrichtung folgt eine konisch gebildete, verengende Übergangsstrecke 36 mit einem Konushalbwinkel δ Wandung der Verengung bezüglich der Längsachse 38 des Rohres kleiner als 45°, die in eine zweite, engere zylindrische Strecke 37 mit engerem Durchmesser mündet. Die Länge der zweiten zylindrischen Strecke 37 beträgt vorzugsweise maximal das Fünffache des Durchmesser der Austrittsöffnung.
Eine weitere Ausführungsform der Brennstoff-Zerstäuberdüse 10 gemäss Figur 4 weist einen Innenraum 20 auf, der zum Ende der Düse hin in der Strömungsrichtung konisch ausgebildet ist. Von der konisch gebildeten zugespitzten Endwand 21 des Innenraums 20 führen zwei oder mehr Austrittskanäle 22 mit je einer ersten zylindrischen Strecke 23, je einer in Strömungsrichtung darauf folgenden konischen Verengung 24 und einer zweiten engeren zylindrischen Strecke 25, die schliesslich zu einer Austrittsöffnung 26 mündet. Die Pfeile deuten die Strömungsrichtung des flüssigen Brennstoffs an. Die Längsachsen 27 der Austrittskanäle, die gleich der Längsachsen der resultierenden Sprühkegel sind, verlaufen in einem Winkel β bezüglich der Längsachse 5 der Düse und des Drallerzeugers. Die Austrittsöffnungen 26 sind insbesondere in der radial äusseren Hälfte der Düse angeordnet. Vorzugsweise besitzen sie einen Durchmesser von 0.5 - 1.5 mm auf.
Die Düsenspitze 28 ist äusserlich in der gezeigten Ausführung konisch ausgebildet.
Figur 5 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemässen Hochdruck-Zerstäuberdüse in einem Vormischbrenner mit einem kegelförmigen Drallerzeuger, wobei keine Mischstrecke auf den Drallerzeuger folgt, sondern der Drallerzeuger direkt in eine Brennkammer mündet. Insbesondere, erstreckt sich in diesem Vormischbrenner die Zerstäuberdüse bis zur Hälfte der Länge des Innenraums des Drallerzeugers oder weiter hinaus. Die Düse weist dabei eine der Ausführungen mit Austrittskanälen gemäss der Figuren 3a-c und 4 auf.

Bezugszeichenliste

1: Drallerzeuger
2: Mischstrecke
3: Innenraum Brennkammer
4a-4d: Kegelteile Drallerzeuger
5: Längsachse Drallerzeuger
6: Kanäle Lufteinströmung
7: Luftströmung
8: Umlenkteile
10: Hochdruck-Brennstoffdüse
12a-d: Öffnungen in Düsenspitze
13a-d: Hilfslinien senkrecht zu Tangente am Ende der Kegelschalen
14: Lufteinlassöffnungen in Mischstrecke
20: Innenraum Düse konisches Spitzenteil
21: Innenwand
22: Austrittskanal
23: erste zylindrischer Strecke
24: Konische Verengung
25: zweite zylindrische Strecke
26: Austrittsöffnung
27: Längsachse des Austrittskanals und Sprühkegels
28: konisch gebildete Düsenspitze
31: gerundete Düsenspitze
32: Innenraum Düse
33: Innenwände Düse
34,34': Rohr
35: erste zylindrische strecke
36: konische Übergangsstrecke
37: zweite zylindrische Strecke
38: Längsachse Rohr
40: Trennwand
41: Spitzenteil Düse
42: Innenraum Düse
43: Öffnung in Trennwand
44: Zufuhrstrecke
45: Öffnungen in Düsenspitze

Claims

Vormischbrenner mit einem aus Kegelschalen (4a-4d) bestehenden Drallerzeuger (1) mit einem Kegelhalbwinkel (α) und einer auf den Drallerzeuger (1) in Strömungsrichtung folgenden Mischstrecke (2), die in einen Innenraum (3) einer Brennkammer mündet, und mit Kanälen (6) für die Zufuhr von komprimierter Verbrennungsluft in den Drallerzeuger (1), und mit einer Hochdruckdüse (10) zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff mit mindestens einem Brennstoffkanal für die Zufuhr von Brennstoff in einen Innenraum (20, 32) der Hochdruckdüse (10), wobei die Hochdruckdüse (10) mindestens zwei Austrittskanäle (22, 34, 34') aufweist, die vom Innenraum (20, 32) der Hochdruckdüse (10) zum Innenraum des Drallerzeugers (1) führen und bezüglich der Längsachse der Düse (10) dezentral angeordnet sind und so ausgerichtet sind, dass von den Austrittskanälen (22, 34, 34') austretende Sprühkegel (11) auf den Nachlauf der einzelnen Kegelschalen gerichtet sind
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittskanäle (22, 34, 34') so ausgebildet sind, dass die austretenden Sprühkegel (11) jeweils eine Längsachse besitzen, die in einem Winkel (β) zur Längsachse (5) des Drallerzeugers verlaufen, der kleiner ist als der Kegelhalbwinkel (α) des Drallerzeugers (1).
Vormischbrenner nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
der Winkel (β) zwischen den Längsachsen (26, 37) der Sprühkegel (11) und der Längsachse (5) des Drallerzeugers (1) kleiner als der Kegelhalbwinkel (α) des Drallerzeugers (1) und grösser 10° ist.
Vormischbrenner nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
der Winkel (β) zwischen den Längsachsen (26, 37) der Sprühkegel (11) und der Längsachse (5) des Drallerzeugers (1) in einem Bereich von 10° bis 18° liegt.
Vormischbrenner nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei oder mehr Austrittsöffnungen (24, 25, 34, 34') zur Zerstäubung des Brennstoffs bezüglich der Längsachse (5) der Hochdruckdüse (10) in der radial äusseren Hälfte der Hochdruckdüse (10) und bezüglich der Längsachse der Hochdruckdüse (10) rotationssymmetrisch angeordnet sind.
Vormischbrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittskanäle (22, 34, 34') in Strömungsrichtung des flüssigen Brennstoffs eine erste zylindrische Strecke (23, 35), eine konische Verengung (24, 36) und eine zweite zylindrische Strecke (25, 37) aufweisen.
Vormischbrenner nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittskanäle Rohre (34) aufweisen, die über die Spitze der Hochdruckdüse (10) hinausragen.
Vormischbrenner nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittskanäle Rohre (34') aufweisen, die über die Aussenoberfläche der Hochdruckdüse (10) hinausragen, wobei die Spitze der Hochdruckdüse (10) weiter in den Drallerzeuger hinausragt als die Rohre (34').
Vormischbrenner nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Halbwinkel (δ) der konischen Verengung (36) zwischen der Wandung der konisch ausgebildeten Strecke (36) und der Längsachse (38) der Austrittskanäle (34, 34') kleiner als 45° ist.
Vormischbrenner nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite zylindrische Strecke (25) jeweils zu einer Austrittsöffnung (26) an der Aussenoberfläche der Hochdruckdüse (10) führt.
Vormischbrenner nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die konische Verengung (24) einen Konushalbwinkel im Bereich von 30°-45° besitzt.
Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 6-10
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spitze der Hochdruckdüse (10) gerundet ausgebildet ist.
Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 6-10
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spitze der Hochdruckdüse (10) konisch ausgebildet ist.
Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 5-10
dadurch gekennzeichnet, dass
die Länge der zweiten zylindrischen Strecken (25, 37) jeweils maximal das Fünffache des Durchmessers der Austrittsöffnungen beträgt.
Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1-13
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittsöffnungen (25) der Austrittskanäle einen Durchmesser in einem Bereich von 0.5 bis 1.5 mm besitzen.
Vormischbrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vormischbrenner in der Aussenwand der zylindrischen Mischstrecke (2) Öffnungen (14) für den Einlass komprimierter Luft aufweist.
Vormischbrenner mit einem aus Kegelschalen bestehenden Drallerzeuger (1) mit einem Kegelhalbwinkel (α), der in einen Innenraum einer Brennkammer mündet, und mit Kanälen für die Zufuhr von komprimierter Verbrennungsluft in den Drallerzeuger, und mit einer Hochdruckdüse (10) zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff mit einem oder mehr Brennstoffkanälen für die Zufuhr von Brennstoff in einen Innenraum (20, 32) der Hochdruckdüse (10) und die Hochdruckdüse (10) mindestens zwei Austrittskanäle (22, 34, 34') zur Zerstäubung des Brennstoffs aufweist, die von dem Innenraum (20, 32) der Hochdruckdüse (10) zum Innenraum des Drallerzeugers führen und bezüglich der Längsachse der Düse (10) dezentral angeordnet sind
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittskanäle (22, 34, 34') so ausgebildet sind, dass Sprühkegel (11), die von den Austrittskanälen austreten eine Längsachse besitzen, die in einem Winkel (β) zur Längsachse (5) des Drallerzeugers verlaufen, der kleiner ist als der Kegelhalbwinkel (α) des Drallerzeugers, und die Austrittskanäle (22, 34, 34') in Strömungsrichtung des flüssigen Brennstoffs eine erste zylindrische Strecke (23, 35), eine konische Verengung (24, 36) und eine zweite zylindrische Strecke (25, 37) aufweisen und die Spitze der Hochdruckdüse (10) zur Hälfte der Länge des Innenraums des Drallerzeugers oder über dessen Hälfte hinaus reicht.