WO2005014176A1 - Düsenkopf - Google Patents

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WO2005014176A1
WO2005014176A1 PCT/CH2004/000487 CH2004000487W WO2005014176A1 WO 2005014176 A1 WO2005014176 A1 WO 2005014176A1 CH 2004000487 W CH2004000487 W CH 2004000487W WO 2005014176 A1 WO2005014176 A1 WO 2005014176A1
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WO
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nozzle
jet outlet
center
connection part
nozzles
Prior art date
Application number
PCT/CH2004/000487
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Padrutt
Philippe SCHÜRMANN
Original Assignee
Axenergy Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Axenergy Ag filed Critical Axenergy Ag
Publication of WO2005014176A1 publication Critical patent/WO2005014176A1/de

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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
    • B05B1/14—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means with multiple outlet openings; with strainers in or outside the outlet opening
    • B05B1/18—Roses; Shower heads
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/211—Heat transfer, e.g. cooling by intercooling, e.g. during a compression cycle
    • F05B2260/212—Heat transfer, e.g. cooling by intercooling, e.g. during a compression cycle by water injection

Definitions

  • the present invention relates to a nozzle head as defined in the preamble of independent claim 1.
  • nozzles are used to humidify the supply air to the gas turbines.
  • the usual performance specifications for gas turbines are based on ISO standard values (at 15 ° C, 60% relative humidity, 1013 hPA pressure).
  • ISO standard values at 15 ° C, 60% relative humidity, 1013 hPA pressure.
  • the air volume flow sucked in by a compressor has a different density depending on the climatic conditions. If the air temperature rises, the density of the supply air drops and as a result there is a decrease in the power of the gas turbine.
  • fine water droplets can be introduced into the supply air, after which evaporation causes a lowering of the air temperature and thus an increase in density. The result is that the performance of the gas turbine increases.
  • the size of the individual nozzles could also be increased. If the nozzles are too large, the desired drop fineness can no longer be achieved.
  • FR-A-2 395 786 discloses nozzle heads which have a water connection part and a plurality of nozzles, each of which is connected to the water connection part via a nozzle arm.
  • these nozzle heads are used for pulverizing products for the purpose of depositing the products on plants and not for humidifying the supply air from gas turbines.
  • the droplet size In order for the products to be deposited on the plants, the droplet size must be somewhat larger than when humidifying the supply air of gas turbines, in which the water droplets are not supposed to be deposited on the gas turbines. This is achieved by using other nozzles, which are also arranged in such a way that advantageous swirling occurs. Due to the different nozzles, air flow speeds and functions, the nozzle heads known from FR-A-2 395 786 for depositing products on plants are not suitable for humidifying the supply air from gas turbines.
  • nozzle heads known as spider nozzles for humidifying the supply air of gas turbines are known from the Parker Hannifin Corporation, Cleveland, USA, which likewise have a water connection part and a plurality of nozzles. sen, each of which is connected to the water connection part via a nozzle arm.
  • the nozzle arms of these nozzle heads extend like spiders from the water connection part outwards and downwards.
  • these nozzle heads are not yet optimal with regard to the water mist generated in the air stream.
  • the object of the invention is therefore to create a nozzle head and a nozzle arrangement with which a large air flow can be optimally moistened with fine water droplets with the least possible design effort.
  • a nozzle head comprises a water connection part and a plurality of nozzles, each of which is connected to the water connection part via a nozzle arm, has a jet outlet opening and is designed such that the average droplet size of the water droplets emerging from the jet outlet opening is a maximum of 30 ⁇ m.
  • the center points of the beam outlet openings lie in one plane.
  • a main jet direction of the nozzle head is perpendicular to this plane. Perpendicular to the main nozzle head jet direction, the nozzles have a maximum nozzle diameter, the water connection part has a maximum water connection part diameter and the nozzle arms have a maximum arm width that is smaller than the maximum nozzle diameter.
  • the nozzle arms extend radially outwards from the water connection part.
  • the ratio of the distance of the center of the jet outlet opening from the center of the water connection part in the plane of the jet outlet openings to the maximum water connection part diameter is at least 1.4 and the ratio of the distance of the center of the jet outlet opening from the center of the water connection part in the plane of the jet outlet openings to the maximum Nozzle diameter at least 3.
  • a nozzle head designed and proportioned in this way enables optimum water to be introduced into an air stream, above all as regards the humidification performance and the fineness of the water droplets, in particular in the oversaturation range ("overfogging", "high fogging") and at a speed of the air stream from 15 m / s, an operating pressure of the nozzles of at least 100 bar and a water mass flow per nozzle of at least 10 kg / h.
  • the risk of droplet accumulation in the overlap region of the individual water jets of the nozzles is reduced significantly reduced so that no large drops occur. Thanks to the relatively small nozzles and water connection part as well as slim nozzle arms, relatively little vibrations occur on the nozzle head and on an arrangement of several nozzle heads and the air flow is not swirled too much.
  • the ratio of the distance between the center of the jet outlet opening from the center of the water connection part in the plane of the jet outlet opening is advantageously at least 1.5, preferably at least 1.6.
  • the aerodynamic conditions are further improved by a higher ratio of this type, which means a comparatively smaller water connection part.
  • the ratio of the distance from the center of the jet outlet opening from the center of the water connection part in the plane of the jet outlet openings to the maximum nozzle diameter is advantageously at least 3.2, preferably at least 3.3.
  • a higher such ratio which means comparatively smaller nozzles, also improves the aerodynamic conditions.
  • the ratio of the distance from the center of the jet outlet opening from the center of the water connection part in the plane of the jet outlet openings to the maximum arm width is at least 5, preferably at least 7.5.
  • the higher this ratio the slimmer the nozzle arms, which is aerodynamically advantageous.
  • the ratio should not be over 20, since otherwise the vibration behavior of the nozzle head deteriorates too much.
  • the nozzle head according to the invention advantageously comprises 4 to 8 nozzles. This number of nozzles ensures adequate humidification performance without the individual water jets overlapping too much.
  • the distance from the center is Jet outlet opening of a nozzle from the center of the jet outlet opening of an adjacent nozzle at least 30 mm, preferably at least 35 mm. This minimum distance ensures that the individual water jets do not overlap too much.
  • water emerges conically from the jet outlet opening of each nozzle in operation at a spray angle of at least 70 °. As a result, the water droplets that emerge are sufficiently distributed.
  • the nozzles are advantageously high-pressure nozzles with an operating pressure of at least 100 bar and a water mass flow of at least 10 kg / h. A high humidification performance can be achieved with such nozzles.
  • the nozzles are preferably designed such that the mean droplet size of the water droplets emerging from the jet outlet opening is at most 10 ⁇ m. This practically rules out the deposition of water droplets and erosion in the subsequent gas turbine.
  • a nozzle arrangement according to the invention comprises at least one nozzle head according to the invention connected to a cross pipe via a connecting pipe part.
  • the ratio of the distance of the central axis of the cross tube from the jet outlet openings of the nozzles to the cross tube diameter is advantageously at least 2, preferably at least 2.2.
  • the cross tube does not influence the air flow too strongly with regard to the water jet outlet.
  • nozzle heads are attached to at least one Connected to a cross tube, the distance between the centers of the jet outlet openings of the nozzles of a nozzle head from the center of the water connection part of this nozzle head in the plane of the jet outlet openings is between 30 and 100 mm and the distance between the centers of the water connection parts of two adjacent nozzle heads is between 300 and 500 mm.
  • FIG. 1 shows a plan view of a nozzle head according to the invention with eight nozzles according to a first exemplary embodiment
  • Fig. 2 is a sectional view of the nozzle head along the line A-A in Fig. 1;
  • Fig. 3 is a sectional view of a nozzle of the nozzle head of Fig. 1; 4 - a nozzle arrangement according to the invention with a nozzle head according to FIG. 1 connected to a cross tube in a side view; Fig. 5 - the nozzle arrangement of Fig. 4 in a view from below;
  • FIG. 6 shows a nozzle arrangement according to the invention with a large number of nozzles connected to cross tubes in accordance with FIG. and
  • FIG. 7 shows a plan view of an inventive nozzle head with six nozzles according to a second exemplary embodiment.
  • the first exemplary embodiment of a nozzle head 100 according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 comprises a central water connection part 1, from which eight nozzle arms 2 extend radially outwards.
  • a nozzle 3 is arranged at each of the outer ends of the nozzle arms 2.
  • the water connection part 1 has a connection piece 11, via which it can be connected to a connection pipe part 5, as shown in FIG. 4.
  • the connecting piece 11 is provided with an annular groove 12, into which a sealing ring 13 is inserted, which ensures that no water escapes to the outside between the connecting pipe part 5 and the connecting piece 11.
  • a straight groove 14 is provided in the connecting piece 11, into which a bent end side 41 of a locking plate 4 engages, the other bent end side 42 of which bears laterally on the connecting pipe part 5. The end seldom 41 and 42 are bent so strongly that they hold the water connection part 1 on the connection pipe part 5.
  • the water connection part 1 comprises a central water supply channel 15, from whose lower region eight nozzle channels 16 branch off at right angles, which are then continued in the eight nozzle arms 2.
  • the nozzle arms 2 are held in holes 17 in the water connection part 1 by TIG welding.
  • the outer ends of the nozzle arms 2 extend into holes 37 of the nozzles 3 and are also held in these by TIG welding.
  • the structure of the nozzles 3 is best seen in FIG. 3.
  • the nozzle 3 shown is a swirl pressure nozzle with a nozzle body 33 arranged in a nozzle housing 36, which has a cylindrical jet outlet opening 31 and an interior 331, which is composed of a cylindrical and a conical section.
  • the interior 331 is sealed by a cover 34 pressed against the nozzle body 33 by means of a spring 35 - apart from the jet outlet opening 31.
  • the water supplied via the nozzle arm 2 passes between the nozzle housing 36 and the spring 35 and cover 34 to the nozzle body 33, where it is laterally guided tangentially into the interior 331 through a supply channel 332 in the nozzle body 33.
  • the water supplied receives a swirl due to the shape of the conical section and a water vortex forms on the wall of the interior 331, which is a hollow vortex (water film with an air core) in the area of the jet outlet opening 31 if the swirl is large enough.
  • the water emerges conically from the jet outlet opening 31 at a spray angle of here 77 °.
  • the nozzle 3 is dimensioned such that the average droplet size of the water droplets emerging from the jet outlet opening 31 is in the range of at most 10-30 ⁇ and the droplet size is as narrow as possible.
  • the middle droplet large smaller than 10 ⁇ m with a narrow distribution of the droplet size.
  • Such nozzles are known in principle from the prior art and are described, for example, in detail in WO 03/015929 A1 by the same applicant.
  • other high-pressure nozzles with an operating pressure of at least 100 bar, preferably at least 130 bar, and a water mass flow of at least 10 kg / h, preferably at least 35 kg / h, are also suitable.
  • the center points of the jet outlet openings 31 lie in one plane.
  • a main jet direction 32 of the nozzle head 100 is perpendicular to this plane.
  • the nozzles Perpendicular to the main nozzle head jet direction 32, the nozzles have a maximum nozzle diameter d D , the water connection part has a maximum water connection part diameter d w, and the nozzle arms 2 have a maximum arm width b that is smaller than the maximum nozzle diameter d D.
  • the distance between the center points of the jet outlet openings 31 from the center of the water connection part 1 in the plane of the jet outlet openings 31 is denoted by a D and the distance between the center points of the jet outlet openings 31 of two adjacent nozzles 3 is denoted by a DD .
  • the nozzle head according to the invention has certain proportions.
  • the ratio of the distance a D to the maximum water connection diameter d w should be at least 1.4 and the ratio of the distance a D to the maximum nozzle diameter d D should be at least 3.
  • the ratio of distance a D to maximum water connection diameter d w is approximately 1.65 and the ratio of distance a D to maximum nozzle diameter d D is approximately 3.45.
  • the ratio of distance a D to maximum arm width b should be at least 5 and is approximately 7.75 in the first embodiment.
  • the distance a D is preferably approximately 50 mm, which results in approximately 38 mm for the distance a DD of the center points of the jet outlet openings 31 of two adjacent nozzles 3.
  • FIGS. 4 and 5 show a nozzle arrangement with a cross tube 6, to which the nozzle head 100 is connected via the connecting tube part 5.
  • a locking plate 4 ensures that the nozzle head 100 is held firmly on the connecting pipe part 5.
  • the connecting pipe part 5 and the cross pipe 6 are formed in one piece here.
  • FIG. 6 shows a nozzle arrangement in which a plurality of transverse tubes 6 are arranged on a frame 7 in a uniformly distributed manner.
  • Five nozzle heads 100 are connected to each cross tube 6.
  • the distances a ⁇ ⁇ and a ⁇ 2 of the centers of the water connection parts 1 of two adjacent nozzle heads 100 are advantageously at least five times as large as the distance a D and are preferably between 300 and 500 mm.
  • a nozzle head * v200 according to the invention has only six instead of eight nozzles 3 and nozzle arms 2. Otherwise, what has been said about the first embodiment applies.

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Abstract

Ein erfindungsgemässer Düsenkopf (100) umfasst einen Wasseranschlussteil (1) und acht Düsen (3), die jeweils über einen Düsenarm (2) mit dem Wasseranschlussteil (1) verbunden sind und eine Strahlaustrittsöffnung aufweisen. Die Düsenarme (2) erstrecken sich vom Wasseranschlussteil (1) radial nach aussen und die Mittelpunkte der Strahlaustrittsöffnungen liegen in einer Ebene. Für jede Düse (3) beträgt das Verhältnis von Abstand (aD) des Mittelpunkts der Strahlaustrittsöffnung vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils (1) in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen zu maximalem Wasseranschlussteildurchmesser (dW) mindestens 1,4 und das Verhältnis von Abstand (aD) des Mittelpunkts der Strahlaustrittsöffnung vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils (1) in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen zu maximalem Düsendurchmesser (dD) mindestens 3. Ein derart ausgebildeter und proportionierter Düsenkopf (100) ermöglicht einen optimalen Wassereintrag in einen Luftstrom, vor allem was die Befeuchtungsleistung und die Feinheit der Wassertröpfchen betrifft.

Description

Düsenkopf
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Düsenkopf, wie er im Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 definiert ist.
Beispielsweise bei der Energieerzeugung mit Hilfe von Gasturbinen werden Düsen eingesetzt, mit welchen die Zuluft zu den Gasturbinen befeuchtet wird. Die üblichen Leistungsangaben von Gasturbinen basieren auf ISO-Normwerten (bei 15°C, 60% relativer Luftfeuchtigkeit, 1013 hPA Druck) . Der von einem Kompressor angesaugte Luftvolumenstrom weist aber je nach klimatischen Bedingungen eine unterschiedliche Dichte auf. Steigt die Lufttemperatur, so sinkt die Dichte der Zuluft und in der Folge ist eine Abnahme der Leistung der Gasturbine zu verzeichnen. Mit Hilfe von Düsen können feine Wassertröpfchen in die Zuluft eingetragen werden, wonach beim Verdunsten eine Absenkung der Lufttemperatur und somit eine Dichtezunahme bewirkt wird. Die Folge ist, dass die Leistung der Gasturbine steigt.
Grundsätzlich ist es dabei möglich, in dem Luftstrom so viele Wassertröpfchen zu verdampfen ("fogging"), bis die Luftfeuchtigkeit 100% beträgt. Dadurch tritt die oben beschriebene Abkühlung der Luft ein, die Dichte der Luft wird erhöht. Ist die Luft jedoch vollständig gesättigt, so können bei einer weiteren Zufuhr von Wassertröpfchen diese Tröpfchen nicht mehr verdampft werden.
Es ist aber bekannt, dass eine weitere Zufuhr von Wasser- tropfchen ("overfogging") einen Zuwachs an von der Gasturbine abnehmbarer elektrischer Energie zur Folge haben kann, obwohl die Wassertröpfchen nicht mehr im Luftstrom im Lufteinlasskanal verdampft werden können. Dass es dennoch zu einem Zuwachs an abnehmbarer elektrischer Energie kommt, liegt daran, dass beim Zuführen des Luftstroms zur Gasturbine die Luft im Kompressor-Abschnitt der Gasturbine komprimiert wird, was die zuvor gesättigte Luft erwärmt und sie noch einmal aufnahmefähiger für Feuchtigkeit macht. Die im Lufteinlasskanal im Luftstrom enthaltenen überschüssigen Wassertröpfchen können dann bei erhöhter Temperatur in dem Luftstrom verdampft werden und zu dem Zuwachs an von der Gasturbine abnehmbarer elektrischer Energie beitragen.
Bei der Zufuhr eines solchen mit Wassertröpfchen übersättig- ten Luftstroms besteht die Gefahr, dass es zu Erosion im Kompressor-Abschnitt der Gasturbine kommen kann. Damit eine derartige Erosion nicht erfolgt, darf die Tröpfchengrösse der Wassertropfen nicht grösser als etwa 10-30 um sein. Die Erzeugung solch feiner Tröpfchen ist jedoch nicht so trivial und stellt hohe Anforderungen an die entsprechenden Düsen, mit denen derartig feine Tröpfchen erzeugt werden.
Sogenannte Dralldruck-Düsen, mit denen es möglich ist, solch feine Wassertröpfchen zu erzeugen, sind in der WO 03/015929 AI derselben Anmelderin beschrieben. Auch andere Düsentypen kommen jedoch in Frage.
Für grosse Gasturbinen werden grosse Luftströme benötigt, denen entsprechend eine grosse Wassermenge zugeführt werden muss. Dies kann auf herkömmliche Weise mit einer grossen Anzahl an Düsen, oft mehreren hundert, erfolgen, was jedoch eine Vielzahl von Wasserzuführleitungen notwendig macht. Dies ist nicht nur aufwendig, sondern es kann auch mit einem schlechten Schwingungsverhalten verbunden sein. Ausserdem steigt mit der Anzahl der Düsen auch die Gefahr, dass eine davon sich von der Anschlussstelle löst, vom Luftstrom mitgerissen wird und die Gasturbine beschädigt.
Alternativ zu der Anzahl der Düsen könnte auch die Grosse der einzelnen Düsen erhöht werden. Mit zu grossen Düsen kann aber die gewünschte Tropfenfeinheit nicht mehr erreicht werden.
In der FR-A-2 395 786 sind Düsenköpfe offenbart, die einen Wasseranschlussteil und eine Mehrzahl an Düsen aufweisen, die jeweils über einen Düsenarm mit dem Wasseranschlussteil verbunden sind. Diese Düsenköpfe dienen allerdings zur Pulveri- sierung von Produkten zum Zwecke der Ablagerung der Produkte auf Pflanzen und nicht zur Befeuchtung der Zuluft von Gasturbinen. Damit sich die Produkte auf den Pflanzen ablagern, muss die Tröpfchengrösse um einiges grösser sein als bei der Befeuchtung der Zuluft von Gasturbinen, bei der sich die Was- sertröpfchen eben gerade nicht auf den Gasturbinen ablagern sollen. Dies wird durch die Verwendung anderer Düsen bewirkt, die ausserdem derart angeordnet sind, dass eine vorteilhafte Verwirbelung auftritt. Aufgrund der unterschiedlichen Düsen, Luftströmungsgeschwindigkeiten und Funktionen sind die aus der FR-A-2 395 786 bekannten Düsenköpfe zur Ablagerung von Produkten auf Pflanzen nicht zur Befeuchtung der Zuluft von Gasturbinen geeignet.
Von der Firma Parker Hannifin Corporation, Cleveland, USA, sind jedoch als Spinnendüsen bezeichnete Düsenköpfe zur Befeuchtung der Zuluft von Gasturbinen bekannt, die ebenfalls einen Wasseranschlussteil und eine Mehrzahl an Düsen aufwei- sen, die jeweils über einen Düsenarm mit dem Wasseranschlussteil verbunden sind. Die Düsenarme erstrecken sich bei diesen Düsenköpfen spinnenbeinartig vom Wasseranschlussteil nach aussen und unten. Diese Düsenköpfe sind aber bezüglich dem im Luftstrom erzeugten Wassernebel noch nicht optimal.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Düsenkopf und eine Düsenanordnung zu schaffen, mit denen ein gros- ser Luftstrom mit möglichst kleinem konstruktivem Aufwand op- timal mit feinen Wassertröpfchen befeuchtet werden kann.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Düsenkopfs durch den erfin- dungsgemässen Düsenkopf gemäss dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. In Patentanspruch 10 ist eine erfindungsge- mässe Düsenanordnung definiert, die die Aufgabe bezüglich der Düsenanordnung löst. Bevorzugte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Das Wesen der Erfindung besteht im Folgenden: Ein Düsenkopf umfasst einen Wasseranschlussteil und eine Mehrzahl an Düsen, die jeweils über einen Düsenarm mit dem Wasseranschlussteil verbunden sind, eine Strahlaustrittsoffnung aufweisen und so ausgebildet sind, dass die mittlere Tröpfchengrösse der aus der Strahlaustrittsoffnung austretenden Wassertröpfchen maximal 30 μm beträgt. Die Mittelpunkte der Strahlaustrittsöff- nungen liegen in einer Ebene. Eine hauptsächliche Strahlrichtung des Düsenkopfs steht senkrecht zu dieser Ebene. Senkrecht zur hauptsächlichen Düsenkopf-Strahlrichtung weisen die Düsen einen maximalen Düsendurchmesser, der Wasseranschlussteil einen maximalen Wasseranschlussteildurchmesser und die Düsenarme eine maximale Armbreite, die kleiner ist als der maximale Düsendurchmesser, auf. Die Düsenarme erstrecken sich vom Wasseranschlussteil radial nach aussen. Für jede Düse beträgt das Verhältnis von Abstand des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen zu maximalem Wasseran- schlussteildurchmesser mindestens 1,4 und das Verhältnis von Abstand des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen zu maximalem Düsendurchmesser mindestens 3.
Ein derart ausgebildeter und proportionierter Düsenkopf ermöglicht einen optimalen Wassereintrag in einen Luftstrom, vor allem was die Befeuchtungsleistung und die Feinheit der Wassertröpfchen betrifft, insbesondere im Übersättigungsbereich ("overfogging", "high fogging") und bei einer Geschwin- digkeit des Luftstroms ab 15 m/s, einem Betriebsdruck der Düsen von mindestens 100 bar und einem Wassermassenstrom pro Düse von mindestens 10 kg/h. Insbesondere dadurch, dass Düsen verwendet werden, bei denen die mittlere Tröpfchengrösse der aus der Strahlaustrittsoffnung austretenden Wassertröpfchen maximal 30 um beträgt, und die Düsen im Düsenkopf relativ weit aussen angeordnet sind, wird die Gefahr der Tropfenakku- mulierung im Überschneidungsbereich der Einzel-Wasserstrahlen der Düsen wesentlich reduziert, so dass keine zu grossen Tropfen entstehen. Dank den relativ kleinen Düsen und Wasser- anschlussteil sowie schlanken Düsenarmen treten am Düsenkopf und an einer Anordnung mehrerer Düsenköpfe relativ geringe Schwingungen auf und der Luftstrom wird nicht zu stark verwirbelt.
Mit Vorteil beträgt für jede Düse das Verhältnis von Abstand des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils in der Ebene der Strahlaustrittsöff- nungen zu maximalem Wasseranschlussteildurchmesser mindestens 1,5, vorzugsweise mindestens 1,6. Durch ein höheres solches Verhältnis, was einen vergleichsweise kleineren Wasseranschlussteil bedeutet, werden die aerodynamischen Gegebenhei- ten weiter verbessert.
Vorteilhafterweise beträgt für jede Düse das Verhältnis von Abstand des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils in der Ebene der Strahlaus- trittsöffnungen zu maximalem Düsendurchmesser mindestens 3,2, vorzugsweise mindestens 3,3. Durch ein höheres solches Verhältnis, was vergleichsweise kleinere Düsen bedeutet, werden die aerodynamischen Gegebenheiten ebenfalls zusätzlich verbessert .
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsge- mässen Düsenkopfs beträgt das Verhältnis von Abstand des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen zu maximaler Armbreite mindestens 5, vorzugsweise mindestens 7,5. Je höher dieses Verhältnis, desto schlanker sind die Düsenarme, was aerodynamisch vorteilhaft ist. Das Verhältnis sollte aber auch nicht über 20 sein, da sich ansonsten das Schwingungsverhalten des Düsenkopfs zu stark verschlechtert.
Mit Vorteil umfasst der erfindungsgemässe Düsenkopf 4 bis 8 Düsen. Durch diese Düsenanzahl wird eine ausreichende Befeuchtungsleistung gewährleistet, ohne dass sich die Einzel- Wasserstrahlen zu stark überschneiden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsge- mässen Düsenkopfs beträgt der Abstand des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung einer Düse vom Mittelpunkt der Strahlaustrittsoffnung einer benachbarten Düse mindestens 30 mm, vorzugsweise mindestens 35 mm. Dieser Minimalabstand gewährleistet, dass sich die Einzel-Wasserstrahlen nicht zu stark überschneiden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante tritt aus der Strahlaustrittsoffnung jeder Düse im Betrieb Wasser kegelförmig in einem Sprühwinkel von mindestens 70° aus. Dadurch wer- den die austretenden Wassertröpfchen ausreichend verteilt.
Mit Vorteil sind die Düsen Hochdruckdüsen mit einem Betriebsdruck von mindestens 100 bar und einem Wassermassenstrom von mindestens 10 kg/h. Mit solchen Düsen kann eine hohe Befeuch- tungsleistung erreicht werden.
Vorzugsweise sind die Düsen so ausgebildet, dass die mittlere Tröpfchengrösse der aus der Strahlaustrittsoffnung austretenden Wassertröpfchen maximal 10 μm beträgt. Dadurch kann eine Ablagerung von Wassertröpfchen und Erosion in der nachfolgenden Gasturbine praktisch ausgeschlossen werden.
Eine erfindungsgemässe Düsenanordnung umfasst mindestens einen über ein Anschlussrohrteil an einem Querrohr angeschlos- senen erfindungsgemässen Düsenkopf. Das Verhältnis von Abstand der Mittelachse des Querrohrs von den Strahlaustrittsöffnungen der Düsen zu Querrohrdurchmesser beträgt mit Vorteil mindestens 2, vorzugsweise mindestens 2,2. Dadurch be- einflusst das Querrohr die Luftströmung bezüglich des Wasser- Strahlaustritts nicht zu stark.
Vorteilhafterweise sind mehrere Düsenköpfe an mindestens ei- nem Querrohr angeschlossen, beträgt der Abstand der Mittelpunkte der Strahlaustrittsöffnungen der Düsen eines Düsenkopfs vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils dieses Düsenkopfs in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen zwischen 30 und 100 mm und der Abstand der Mittelpunkte der Wasseranschlussteile zweier benachbarter Düsenköpfe zwischen 300 und 500 mm. Dies ermöglicht einen optimalen Wassereintrag in den Luftstrom, vor allem was die Befeuchtungsleistung und die Feinheit der Wassertröpfchen betrifft, insbesondere im Über- Sättigungsbereich ("overfogging", "high fogging") und bei einer Geschwindigkeit des Luftstroms ab 15 m/s, einem Betriebsdruck der Düsen von mindestens 100 bar und einem Wassermassenstrom pro Düse von mindestens 10 kg/h.
Im Folgenden werden der erfindungsgemässe Düsenkopf und die erfindungsgemässe Düsenanordnung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen detaillierter beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - eine Draufsicht auf einen erfindungsgemässen Düsenkopf mit acht Düsen gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 - eine Schnittansicht des Düsenkopfs gemäss der Linie A-A in Fig. 1;
Fig. 3 - eine Schnittansicht einer Düse des Düsenkopfs von Fig. 1 ; Fig. 4 - eine erfindungsgemässe Düsenanordnung mit einem Düsenkopf gemäss Fig. 1 angeschlossen an einem Querrohr in einer Seitenansicht; Fig. 5 - die Düsenanordnung von Fig. 4 in einer Ansicht von unten;
Fig. 6 - eine erfindungsgemässe Düsenanordnung mit einer Vielzahl entsprechend Fig. 4 an Querrohren angeschlossenen Düsen; und
Fig. 7 - eine Draufsicht auf einen erfindungsgemässen Düsen- köpf mit sechs Düsen gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel .
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Düsenkopfs 100 umfasst einen zentralen Wasseranschlussteil 1 , von dem aus sich acht Düsenarme 2 radial nach aussen erstrecken. An den äusseren Enden der Düsenarme 2 ist jeweils eine Düse 3 angeordnet.
Der Wasseranschlussteil 1 weist einen Anschlussstutzen 11 auf, über den er mit einem Anschlussrohrteil 5 verbindbar ist, wie in Fig. 4 dargestellt. Der Anschlussstutzen 11 ist mit einer Ringnut 12 versehen, in die ein Dichtring 13 eingelegt ist, der sicherstellt, dass zwischen Anschlussrohrteil 5 und Anschlussstutzen 11 kein Wasser nach aussen entweicht. Zur festeren mechanischen Verbindung von Anschlussrohrteil 5 und Anschlussstutzen 11 ist im Anschlussstutzen 11 eine gerade Nut 14 vorgesehen, in die eine umgebogene Endseite 41 eines Sicherungsblechs 4 eingreift, dessen andere umgebogene Endseite 42 seitlich am Anschlussrohrteil 5 anliegt. Die End- selten 41 und 42 sind so stark gebogen, dass sie den Wasseranschlussteil 1 am Anschlussrohrteil 5 halten. Der Wasseranschlussteil 1 umfasst einen zentralen Wasserzuführkanal 15, von dessen unterem Bereich acht Düsenkanäle 16 rechtwinklig abzweigen, die dann in den acht Düsenarmen 2 fortgesetzt sind. Die Düsenarme 2 sind durch TIG-Schweissung in Löchern 17 im Wasseranschlussteil 1 gehalten. Die äusseren Enden der Düsenarme 2 erstrecken sich in Löcher 37 der Düsen 3 und sind in diesen ebenfalls durch TIG-Schweissung gehalten.
Der Aufbau der Düsen 3 ist am besten aus Fig. 3 ersichtlich. Die dargestellte Düse 3 ist eine Dralldruck-Düse mit einem in einem Düsengehäuse 36 angeordneten Düsenkörper 33, der eine zylindrische Strahlaustrittsoffnung 31 und einen Innenraum 331 aufweist, welcher sich aus einem zylindrischen und einem konischen Abschnitt zusammensetzt. Der Innenraum 331 ist durch einen mittels einer Feder 35 an den Düsenkörper 33 gedrückten Deckel 34 - bis auf die Strahlaustrittsoffnung 31 - abgedichtet. Das über den Düsenarm 2 zugeführte Wasser gelangt zwischen Düsengehäuse 36 und Feder 35 und Deckel 34 zum Düsenkörper 33, wo es durch einen Zufuhrkanal 332 im Düsenkörper 33 seitlich tangential in den Innenraum 331 geleitet wird. Das zugeführte Wasser erhält durch die Form des konischen Abschnitts einen Drall und auf der Wand des Innenraums 331 bildet sich ein Wasserwirbel, der bei genügend grossem Drall im Bereich der Strahlaustrittsoffnung 31 ein Hohlwirbel (Wasserfilm mit Luftkern) ist. Das Wasser tritt aus der Strahlaustrittsoffnung 31 kegelförmig in einem Sprühwinkel von hier 77° aus. Die Düse 3 ist so dimensioniert, dass die mittlere Tröpfchengrösse der aus der Strahlaustrittsoffnung 31 austretenden Wassertröpfchen im Bereich von maximal 10-30 μ liegt und eine möglichst schmale Verteilung der Tröpfchengrösse vorliegt. Vorzugsweise ist die mittlere Tröpfchen- grosse kleiner als 10 μm mit schmaler Verteilung der Tröpfchengrösse.
Derartige Düsen sind vom Prinzip her aus dem Stand der Tech- nik bekannt und beispielsweise im Detail in der WO 03/015929 AI derselben Anmelderin beschrieben. Alternativ sind auch andere Hochdruckdüsen mit einem Betriebsdruck von mindestens 100 bar, vorzugsweise mindestens 130 bar, und einem Wassermassenstrom von mindestens 10 kg/h, vorzugsweise mindestens 35 kg/h, geeignet.
Beim Düsenkopf 100 liegen die Mittelpunkte der Strahlaustrittsöffnungen 31 in einer Ebene. Eine hauptsächliche Strahlrichtung 32 des Düsenkopfs 100 steht senkrecht zu die- ser Ebene. Senkrecht zur hauptsächlichen Düsenkopf-Strahlrichtung 32 weisen die Düsen einen maximalen Düsendurchmesser dD, der Wasseranschlussteil einen maximalen Wasseranschlussteildurchmesser dw und die Düsenarme 2 eine maximale Armbreite b, die kleiner ist als der maximale Düsendurchmesser dD, auf. Der Abstand der Mittelpunkte der Strahlaustrittsöffnungen 31 vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils 1 in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen 31 ist mit aD und der Abstand der Mittelpunkte der Strahlaustrittsöffnungen 31 zweier benachbarter Düsen 3 mit aDD bezeichnet.
Um einen grossen Luftstrom mit möglichst kleinem konstruktivem Aufwand optimal mit feinen Wassertröpfchen befeuchten zu können, weist der erfindungsgemässe Düsenkopf bestimmte Proportionen auf. Das Verhältnis von Abstand aD zu maximalem Wasseranschlussteildurchmesser dw soll mindestens 1,4 und das Verhältnis von Abstand aD zu maximalem Düsendurchmesser dD soll mindestens 3 betragen. Beim dargestellten ersten Ausfüh- rungsbeispiel beträgt das Verhältnis von Abstand aD zu maximalem Wasseranschlussteildurchmesser dw ungefähr 1,65 und das Verhältnis von Abstand aD zu maximalem Düsendurchmesser dD ungefähr 3,45. Das Verhältnis von Abstand aD zu maximaler Armbreite b sollte mindestens 5 betragen und beträgt beim ersten Ausführungsbeispiel ungefähr 7,75.
Der Abstand aD beträgt vorzugsweise ca. 50 mm, was für den Abstand aDD der Mittelpunkte der Strahlaustrittsöffnungen 31 zweier benachbarter Düsen 3 ungefähr 38 mm ergibt.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Düsenanordnung mit einem Querrohr 6, an das der Düsenkopf 100 über das Anschlussrohrteil 5 angeschlossen ist. Wie bereits oben erwähnt, sorgt ein Siche- rungsblech 4 für ein festes Halten des Düsenkopfs 100 am Anschlussrohrteil 5. Das Anschlussrohrteil 5 und das Querrohr 6 sind hier einteilig ausgebildet.
Das Verhältnis von Abstand aQ der Mittelachse 61 des Quer- rohrs 6 von den Strahlaustrittsöffnungen 31 der Düsen 3 zu Querrohrdurchmesser dQ, das vorzugsweise mindestens 2 betragen sollte, beträgt hier ungefähr 2,35.
In Fig. 6 ist eine Düsenanordnung dargestellt, bei der an ei- nem Rahmen 7 mehrere 'Querrohre 6 gleichmässig verteilt angeordnet sind. An jedes Querrohr 6 sind fünf Düsenköpfe 100 angeschlossen. Die Abstände aκι und aκ2 der Mittelpunkte der Wasseranschlussteile 1 zweier benachbarter Düsenköpfe 100 sind mit Vorteil mindestens fünfmal so gross wie der Abstand aD und betragen vorzugsweise zwischen 300 und 500 mm.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten zweiten Äusführungsbeispiel weist ein erfindungsgemässer Düsenkopf*v200 nur sechs anstatt acht Düsen 3 und Düsenarme 2 auf. Ansonsten gilt das zum ersten Ausführungsbeispiel Gesagte.
Zu den vorbeschriebenen erfindungsgemässen Düsenköpfen und Düsenanordnungen sind weitere konstruktive Variationen realisierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Düsenkopf (100; 200) mit einem Wasseranschlussteil (1) und einer Mehrzahl an Düsen (3), die jeweils über einen Düsenarm (2) mit dem Wasseranschlussteil (1) verbunden sind, eine Strahlaustrittsoffnung (31) aufweisen und so ausgebildet sind, dass die mittlere Tröpfchengrösse der aus der Strahlaustrittsoffnung (31) austretenden Wassertröpfchen maximal 30 μm beträgt, wobei die Mittelpunkte der Strahlaustrittsöffnun- gen (31) in einer Ebene liegen und eine hauptsächliche
Strahlrichtung des Düsenkopfs (100; 200) senkrecht zu dieser Ebene steht, und wobei senkrecht zur hauptsächlichen Düsenkopf-Strahlrichtung (32) die Düsen (3) einen maximalen Düsendurchmesser (dD) , der Wasseranschlussteil (1) einen maximalen Wasseranschlussteildurchmesser (dw) und die Düsenarme (2) eine maximale Armbreite (b) , die kleiner ist als der maximale Düsendurchmesser (dD) , aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenarme (2) sich vom Wasseranschlussteil (1) radial nach aussen erstrecken und für jede Düse (3) das Verhältnis von Abstand (aD) des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung (31) vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils (1) in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen (31) zu maximalem Wasseranschlussteildurchmesser (d) mindestens 1,4 und das Verhältnis von Abstand (aD) des Mittelpunkts der Strahl- austrittsöffnung (31) vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils (1) in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen (31) zu maximalem Düsendurchmesser (dD) mindestens 3 beträgt.
2. Düsenkopf (100; 200) nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass für jede Düse (3) das Verhältnis von Abstand (aD) des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung (31) vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils (1) in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen (31) zu maximalem Wasseranschlussteildurchmesser (dw) mindestens 1,5, vorzugsweise mindestens 1,6, beträgt.
3. Düsenkopf (100; 200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Düse (3) das Verhältnis von Abstand (aD) des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung (31) vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils (1) in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen (31) zu maximalem Düsendurchmesser (dD) mindestens 3,2, vorzugsweise mindestens 3,3, beträgt.
4. Düsenkopf (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Abstand (aD) des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung (31) vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils (1) in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen (31) zu maximaler Armbreite (b) mindestens 5, vorzugsweise mindestens 7,5, beträgt.
5. Düsenkopf (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass er 4 bis 8 Düsen (3) aufweist.
6. Düsenkopf (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (aDD. des Mittelpunkts der Strahlaustrittsoffnung (31) einer Düse (3) vom Mittelpunkt der Strahlaustrittsoffnung (31) einer benachbarten Düse (3) mindestens 30 mm, vorzugsweise mindestens 35 mm, beträgt.
7. Düsenkopf (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Strahlaustrittsoffnung (31) jeder Düse (3) im Betrieb Wasser kegelförmig in einem Sprühwinkel (α) von mindestens 70° austritt.
8. Düsenkopf (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (3) Hochdruckdüsen mit einem Betriebsdruck von mindestens 100 bar und einem Wassermassenstrom von mindestens 10 kg/h sind.
9. Düsenkopf (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (3) so ausgebildet sind, dass die mittlere Tröpfchengrösse der aus der Strahlaustrittsoffnung (31) austretenden Wassertröpfchen maximal 10 μm beträgt.
10. Düsenanordnung mit mindestens einem über ein Anschlussrohrteil (5) an einem Querrohr (6) angeschlossenen Düsenkopf (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Verhältnis von Abstand (aQ) der Mittelachse (61) des Querrohrs (6) von den Strahlaustrittsöffnungen (31) der Düsen (3) zu Querrohrdurchmesser (dQ) mindestens 2, vorzugsweise mindestens 2,2, beträgt.
11. Düsenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass mehrere Düsenköpfe (100; 200) an mindestens einem Querrohr (6) angeschlossen sind, der Abstand (aD) der Mittelpunkte der Strahlaustrittsöffnungen (31) der Düsen (3) eines Düsenkopfs (100; 200) vom Mittelpunkt des Wasseranschlussteils (1) dieses Düsenkopfs (100; 200) in der Ebene der Strahlaustrittsöffnungen (31) zwischen 30 und 100 mm beträgt und der Abstand (aκι, aκ2) der Mittelpunkte der Wasseranschlussteile (1) zweier benachbarter Düsenköpfe (100; 200) zwischen 300 und 500 mm beträgt.
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