Beschreibung
Brennstoffdüse
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse mit einem Mündungsbereich, in dem sich entlang einer Düsenachse ein Mündungskanal erstreckt. Die Brennstoffdüse ist insbesondere für flüssigen Brennstoff geeignet.
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 Einspritzkanal und entgegengesetzt dazu andererseits eine Rück- laufbohrung 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. Dadurch fächert der Brennstoffstrahl beim Austritt des Brennstoffs aus dem Einspritzkanal kegelförmig auf. Andererseits wird Brennstoff über die Rücklaufbohrung zurückge- führt. Unter Beibehaltung eines konstanten BrennstoffZustroms zur Rücklaufeinspritzdüse wird die Menge von eingespritztem Brennstoff dadurch gesteuert, daß die Menge an zurückgeführtem Brennstoff eingestellt wird.
In dem Artikel "Aktive Dämpfung selbsterregter Brennkammerschwingungen (AIC) bei Druckzerstäuberbrennern durch Modulation der flüssigen Brennstoffzufuhr" von J. Hermann, D. Vort- meyer und S. Gleis, VDI-Berichte Nr. 1090, 1993, ist beschrieben, wie eine Verbrennungsschwingung in der Brennkammer einer Gasturbine oder eines Kessels entsteht und wie sie aktiv gedämpft werden kann. Bei der Verbrennung in der Brennkammer kann es nämlich zu der erwähnten selbsterregten Ver-
brennungsschwingung kommen, die auch als Verbrennungs-Insta- bilitat bezeichnet wird. Eine solche Verbrennungsschwingung entsteht durch die Wechselwirkung zwischen einer schwankenden Warmefreisetzung bei der Verbrennung und der Akustik der Brennkammer. Eine Verbrennungsschwingung geht häufig einher mit einer hohen Larmemission und einer mechanischen Belastung der Brennkammer, die bis zu einer Zerstörung von Bauteilen gehen kann.
Die DE-OS 20 33 118 zeigt einen Gasbrenner für einen gasgefeuerten Schmelzofen. Um eine hohen Flammentemperatur zu schaffen, weist der Gasbrenner eine im Bereich der Mundung konvergierende Düse in Form eines Spaltes auf. Dadurch wird eine hohe Warmekonzentration gewahrleistet.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Brennstoffduse, durch welche eine Verbrennungsschwingung zumindest vermindert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelost durch eine Brenn- stoffduse mit einem Mundungsbereich, in dem sich entlang einer Dusenachse ein Mundungskanal erstreckt, welcher Mundungskanal an einem Mundungsrand nicht konvergierend endet, wobei der Mundungsrand nicht rotationssymmetrisch um die Dusenachse ist.
Brennstoff wird in der Brennstoffduse durch den Mundungsbereich im Mundungskanal gefuhrt. Der Mundungskanal ist im Mundungsbereich nicht-konvergierend ausgeführt, das heißt, er verengt sich nicht, so daß kein Druckverlust entsteht. Der
Brennstoff tritt aus dem Mundungskanal am Mundungsrand in den Außenraum aus. Dabei erweitert sich der Strahl, d.h. man erhalt einen divergenten, aufgefächerten Brennstoffstrahl . Dadurch daß der Mundungsrand nicht rotationssymmetrisch um die Dusenachse ist, ist auch der divergente Brennstoffstrahl nicht rotationssymmetrisch. Man erhalt somit einen verzerrten Brennstoffkegel, welcher zumindest in zwei Raumrichtungen
eine unterschiedliche Ausdehnung senkrecht zur Strahlrichtung aufweist. Entsprechend verzerrt sich das räumliche Gebiet, in welchem die Verbrennung stattfindet. Durch diese Verzerrung des Verbrennungsgebietes wird Einfluß auf das Entstehen einer Verbrennungsschwingung genommen. Das Gebiet der Verbrennung wird so verlagert und auseinandergezogen, daß das akustische System aus Brenner und Brennerumgebung verstimmt wird. Die Brennstoffduse und damit der austretende Brennstoffkegel werden so orientiert, daß sich eine Verringerung der Verbren- nungsschwmgungen bis hm zu einer vollständigen Unterdruk- kung der Verbrennungsschwingungen ergibt.
Vorzugsweise ist der Mundungsrand unsymmetrisch um die Dusenachse. Dies bedeutet, daß der Mundungsrand eine vollstan- dige Umdrehung um die Dusenachse erfahren muß, um mit seiner ursprünglichen Position wieder in Deckung zu kommen.
Bevorzugtermaßen weist der Mundungsrand eine zweizahlige Symmetrie auf. Weiter bevorzugt ist dabei der Mundungsrand eine Ellipse oder ein Rechteck, insbesondere mit abgerundeten Ek- ken. Die zweizahlige Symmetrie bedeutet, daß der Mundungsrand eine halbe Drehung, d.h. 180°, erfahren muß, um mit seiner ursprünglichen Position m Deckung zu kommen.
Bevorzugt entspricht der Mundungsrand einer Kontur, die durch ein Rechteck und einen Kreis gebildet ist, wobei der Kreis mit seinem Mittelpunkt auf dem Schwerpunkt des Rechtecks liegt und über die Schmalseite des Rechtecks hinausragt, und wobei die Kontur den äußeren Rand des Rechtecks und des Krei- ses umschließt.
Bevorzugtermaßen entspricht der Mundungsrand einer Kontur, die durch zwei zueinander senkrecht stehende, einen gemeinsamen Schwerpunkt aufweisende Rechtecke gebildet ist, wobei die Kontur den äußeren Rand beider Rechtecke umschließt.
Bevorzugtermaßen weist der Mundungskanal eine Kanalwand auf, wobei jeder Punkt der Kanalwand einen Achsenabstand zur Düsenachse und eine axiale Position entlang der Dusenachse aufweist, und wobei der Achsenabstand für mindestens zwei Punkte auf der Kanalwand, welche die gleiche axiale Position aufweisen, unterschiedlich ist. Weiter bevorzugt ändert sich der Achsenabstand für Punkte auf der Kanalwand gleicher axialer Position entlang einer Umfangsrichtung um die Dusenachse stetig. Der Mündungskanal ist also nicht rotationssymmetrisch um die Dusenachse. Damit wird der Brennstoff bereits ein Stuck weit im Mundungsbereich in einem nicht rotationssymmetrischen Strom gefuhrt. Dem Brennstoffström wird also eine nicht rotationssymmetrische Form aufgeprägt, welche beim Austritt des Brennstofffs aus der Brennstoffduse besonders effizient dazu fuhrt, daß sich ein nicht rotationssymmetrischer, verzerrter Brennstoffkegel ausbildet.
Bevorzugtermaßen erweitert sich der Mundungskanal zum Mündungsrand hin.
Vorzugsweise weist der Mundungsrand eine Einkerbung auf. Durch eine solche Einkerbung wird Brennstoff beim Austritt aus der Brennstoffduse starker in Richtung der Einkerbung abgelenkt, als in die übrigen Richtungen des Mundungsrandes. Durch eine solche Einkerbung wird also wiederum erreicht, daß Brennstoff nicht in alle Raumrichtungen gleich stark abgelenkt wird. Es bildet sich ebenfalls ein verzerrter Brennstoffkegel aus.
Bevorzugt ist eine Brennstoffduse für flussigen Brennstoff, insbesondere Erdöl. Vorzugsweise wird die Brennstoffduse in einem Brenner für eine Gasturbine, insbesondere für eine stationäre Gasturbine, eingesetzt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft und teilweise schematisch naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 die Seitenansicht einer Brennstoffduse,
Figur 2 die Draufsicht auf die Brennstoffduse der Figur 1,
Figur 3 eine Draufsicht auf eine weitere Brennstoffduse,
Figur 4 einen Längsschnitt durch den Mundungsbereich einer Brennstoffduse,
Figur 5 eine Draufsicht auf eine weitere Brennstoffduse,
Figur 6 eine Seitenansicht der Brennstoffduse aus Figur 5 und
Figur 7 eine Brenneranordnung in einer Ringbrennkammer.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Figur 1 zeigt die Seitenansicht einer Brennstoffduse 1. Ein zylindrischer Dusenkorper 3 verjungt sich in einem kegelstumpfformigen Abschnitt zu einem ebenfalls zylindrischen Mundungsbereich 5 mit einer Stirnflache 5A. Entlang einer Dusenachse 2 gerichtet verlauft in der Brennstoffduse 1 ein Mundungskanal 7, der am Ende des Mundungsbereichs 5 mit einem Mundungsrand 9 mundet. Durch den Mundungsbereich 5 ist ein rechtwinkliger Schnitt gelegt, so daß eine Abschragung 10 der Kanalwand 8 des Mundungskanals 7 sichtbar ist. Durch diese Abschragung 10 ist der Mundungsrand 9 nicht rotations- symmetrisch um die Dusenachse 2. Dies wird in Figur 2 deutlich.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Brennstoffduse 1 aus Figur 1. Durch zwei einander gegenüberliegende Abschragungen 10 der Kanalwand 8 erhalt der Mundungsrand 9 eine zweizahlige Symmetrie. Der Mundungsrand 9 entspricht somit einer Kontur, die durch den äußeren Rand eines Rechteckes 11 und eines
Kreises 13 gebildet ist, wobei der Kreis 13 mit seinem Mittelpunkt 15 auf dem Schwerpunkt 17 des Rechtecks 11 liegt und über die Schmalseite des Rechtecks 11 hinausragt.
Dadurch, daß der Mundungsrand 9 nicht rotationssymmetrisch um die Dusenachse 2 ist, bildet sich bei Austritt von Brennstoff aus der Brennstoffduse 1 ein nicht rotationssymmetrischer, verzerrter Brennstoffkegel 33 aus (siehe auch Figur 4). Dieser verzerrte Brennstoffkegel 33 fuhrt dazu, daß das Gebiet der Verbrennung ebenfalls verzerrt ist. Durch geeignete Orientierung der Brennstoffduse 1 kann eine akustische Wechselwirkung zwischen der Brennstoffduse 1 und ihrer Umgebung so verstimmt werden, daß sich allenfalls geringe Verbrennungsschwingungen ausbilden. Eine solche Unterdrückung von Ver- brennungsschwmgungen ist besonders effektiv möglich, wenn mehrere Brennstoffdusen 1 in einer Brennkammer angeordnet sind. Vorzugsweise werden solche Brennstoffdusen 1 in Brennern für Gasturbinen eingesetzt. Die großvolumigen, energiereichen Verbrennungen in Gasturbinen können Verbrennungs- Schwingungen hervorrufen, welche nicht nur erhebliche Larmbe- lastungen, sondern auch Materialschaden hervorrufen.
Die Brennstoffduse 1 hat zudem einen gunstigen Einfluß auf eine Stickoxidverringerung. Durch den verzerrten Brennstoff- kegel laßt sich eine bessere Feinverteilung von Brennstoff erreichen. Insbesondere ergibt sich eine geringe Tropfchen- große für den Brennstoff. Durch die bessere Verteilung und die geringe Tropfchengroße des Brennstoffs ergibt sich eine Vergleichmaß gung der Flammentemperaturen der Verbrennung. Dadurch werden nicht so hohe Maximaltemperaturen erreicht, die maßgeblich die Stickoxidproduktion bestimmen. Weiterhin ergibt sich eine bessere Durchmischung mit bedarfsweise gleichzeitig emgespruhtem Wasser. Wasser wird zur Senkung von Flammentemperaturen in der Verbrennung eingedust, wodurch die Stickoxidbildung verringert wird. Bei einem nicht rotationssymmetrischen Brennstoffkegel 33 (siehe Fig. 4) ergibt sich eine bessere Durchdringung von Brennstoff und Wasser.
In Figur 3 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffduse 1 gezeigt. Der Unterschied zur Brennstoffduse 1 aus den Figuren 1 und 2 besteht darin, daß der Mundungsrand 9 eine Kontur dar- stellt, welche durch ein Rechteck 21 und ein dazu senkrecht stehendes Rechteck 23 gebildet ist. Die beiden Rechtecke 21, 23 weisen einen gemeinsamen Schwerpunkt 25, 27 auf.
In Figur 4 ist ein Längsschnitt durch den Mündungsbereich 5 einer Brennstoffduse 1 gezeigt. Der Brennstoffkanal 7 erweitert sich zum Mundungsrand 9 hin. Zwei gegenüberliegende Punkte Pl, P2 auf der Kanalwand 8 weisen gegenüber einer willkürlich gewählten Nullage eine axiale Position B entlang der Dusenachse 2 auf. Der Punkt Pl hat einen Abstand AI zur Dusenachse 2. Der Punkt P2 hat einen Abstand A2 zur Düsenachse 2. Der Abstand AI ist großer als der Abstand A2. Entlang einer Umfangsrichtung U um die Dusenachse 2, also für Punkte P auf der Kanalwand 8, welche alle die gleiche axiale Position B entlang der Dusenachse 2 aufweisen, ändert sich der jeweilige Abstand A zur Dusenachse 2 stetig. Einem Brennstoffstrom in dem Mundungskanal 7 wird eine nicht rotationssymmetrische Form aufgeprägt. Dies äußert sich bei Austritt des Brennstoffs aus dem Mündungskanal 7 in einem nicht rotationssymmetrischen, verzerrten Brennstoffkegel 33. Dies hat die oben erläuterten Vorteile hinsichtlich der Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen und die Verminderung von Stickoxidemissionen zur Folge.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Brennstoffduse 1. Fi- gur 6 zeigt die Brennstoffduse 1 der Figur 5 in einer Seitenansicht. In die Stirnflache 5A des Mundungsbereichs 5 ist eine halbzylinderformige Einkerbung 31 emgefrast oder gesagt, welche die Mundung des Mundungskanals 7 schneidet. Dadurch hat der Mundungsrand 9 ebenfalls eine Einkerbung 31. An dieser Einkerbung 31 wird Brennstoff besonders weit seitlich abgesprüht. Dadurch ergibt sich ein nicht rotationssymmetrischer Brennstoffkegel 33 für den aus der Brennstoffduse 1
austretenden Brennstoff. Damit ergeben sich wiederum die bereits erwähnten Vorteile für die Verringerung von Verbrennungsschwingungen und Stickoxidemission.
Figur 7 zeigt eine Brenneranordnung 40 aus einer Vielzahl von Brennern 42 in einer Ringbrennkammer 44 einer nicht näher dargestellten Gasturbine. Die Ringbrennkammer 44 ist rotationssymmetrisch um eine Brennkammerachse 46. Sie weist eine Innenwand 48 und eine Außenwand 50 auf, die einen Ringraum 51 umschließen. Die Innenseite der Außenwand 50 und die Außenseite der Innenwand 48 sind mit einer feuerfesten Außkleidung 52 versehen.
Die Mündungsränder 9 der Brenner 42 sind nicht rotationssym- metrisch und unregelmäßig zueinander orientiert. Damit ergibt sich eine verringerte Neigung zur Ausbildung einer Verbrennungsschwingung, da die von den einzelnen Brennern 42 ausgehenden Verbrennungsschwingungen sich unregelmäßig überlagern und dabei weitgehend auslöschen.