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DE19729246C2 - Zerstäuberdüse für die Kraftstoffzerstäubung in Brennern - Google Patents

Zerstäuberdüse für die Kraftstoffzerstäubung in Brennern

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DE19729246C2
DE19729246C2 DE1997129246 DE19729246A DE19729246C2 DE 19729246 C2 DE19729246 C2 DE 19729246C2 DE 1997129246 DE1997129246 DE 1997129246 DE 19729246 A DE19729246 A DE 19729246A DE 19729246 C2 DE19729246 C2 DE 19729246C2
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Thomas Behrendt
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Description

Die Erfindung betrifft eine Zerstäuberdüse für die ma­ gere vorverdampfte, vorgemischte Verbrennung von flüs­ sigen Kraftstoffen, insbesondere in Gasturbinen.
Die magere vorverdampfte, vorgemischte Verbrennung in Gasturbinenbrennkammern erlaubt eine weitgehende Redu­ zierung der Stickoxidemission. Bei diesem Verbrennungs­ konzept wird der Kraftstoff in der Düse oder einer Vor­ verdampferstrecke verdampft und mit Luft gemischt, be­ vor das Gemisch in der Brennkammer verbrennt. Die Aus­ drücke "Vorverdampfung" und "Vormischung" bedeuten, daß das Verdampfen und Mischen vor der Verbrennungszone stattfindet. Bei einer vollständigen Verdampfung und Mischung erfolgt die Verbrennung bei mageren Mischungs­ verhältnissen, d. h. bei einem Luftüberschuß und niedri­ gen Temperaturen, was zu geringeren Stickoxidemissionen führt. Eine unvollständige Verdampfung des Kraftstoffes führt zu einer Verbrennung in einer Diffusionsflamme um den Kraftstofftropfen herum. Die Verbrennung stabili­ siert sich dabei in nahstöchiometrischen Bereichen, d. h. bei etwa gleichen Anteilen von Sauerstoff und Kraftstoff. Daraus resultiert eine lokal hohe Verbren­ nungstemperatur mit hoher Stickoxidemission.
Düsen für die magere vorverdampfte und vorgemischte Verbrennung sind beispielsweise aus der DE 37 29 861 bekannt. Der flüssige Kraftstoff wird üblicherweise in die Düse injiziert oder durch Luftströme von einer Ab­ rißkante zerstäubt. Bei dieser Primärzerstäubung ent­ steht ein Spray, bei dem der Kraftstoff sowohl in flüs­ siger Form (Tropfen) als auch in gasförmiger Form in der Luft vorhanden ist. Bei den bekannten Düsen erfolgt bereits das Zerstäuben des Kraftstoffs mit verdrallter Luft. Die meist gegensinnig verdrallten Luftströme sol­ len den Kraftstoff gleichzeitig zerstäuben und durch hohe Turbulenz in der Scherschicht der beiden Luftströme die Mischung homogenisieren.
Eine weitere derartige Düse ist aus der EP 0 660 038 bekannt, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die magere vorverdampfte, vorgemischte Verbrennung in Gasturbinen­ brennkammern dahingehend zu verbessern, daß die Stick­ oxidemission gesenkt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Zerstäuberdüse hat einen Druckraum, aus dem Luft ausströmt. Von dem Druckraum geht ein erster Ringkanal ab, in dessen Einlaß Kraftstoff von einer Zuführvorrichtung eingeleitet wird, wobei der Kraftstoff zu einem Spray zerstäubt wird. Die Zuführvorrichtung kann in oder vor dem Einlaß des ersten Ringkanals angeordnet sein. Der erste Ringkanal ist von einem zweiten Ringkanal umgeben, in den Druckluft ein­ strömt und der Drallelemente zur Verdrallung der Luft enthält. Die Auslässe der beiden Ringkanäle münden in ein Düsenrohr, das sich in Strömungsrichtung verjüngt. Der eingebrachte Kraftstoff wird in dem ersten Ringka­ nal von einem schwach turbulenten unverdrallten Zer­ stäubungsluftstrom nachzerstäubt. Bei dieser Sekundär­ zerstäubung werden nahezu alle Kraftstofftropfen zer­ stäubt bzw. verdampft, da aufgrund des unverdrallten Zerstäubungsluftstromes eine hohe Relativgeschwindig­ keit zwischen Luft und großen Tropfen lang genug auf­ rechterhalten werden kann, um die großen Tropfen zu kleinen Tropfen zu zerstäuben, die dann während der Aufenthaltszeit in der Düse komplett verdampfen. Die den erzielbaren Verdampfungsgrad bestimmenden Größen sind die Tropfengrößenverteilung und die Aufenthalts­ zeit in der Düse, die durch die Selbstzündungszeit des Kraftstoffes in der Luft bei den gegebenen Druck- und Temperaturverhältnissen begrenzt ist. Bei kleinen Trop­ fen erfolgt eine nahezu vollständige Verdampfung, was bei der nachfolgenden Verbrennung zu einer geringeren Stickoxidemission führt. An den Auslässen der beiden Ringkanäle treffen das unverdrallte Kraftstoff-Luft- Gemisch aus dem ersten Ringkanal und der verdrallte Mischluftstrom aus dem zweiten Ringkanal aufeinander. Innerhalb des Düsenrohres erfolgt eine Vermischung der beiden Luftströme, so daß ein homogenes mageres Kraft­ stoff-Luft-Gemisch entsteht. Die Homogenisierung des Gemisches in der Düse erfolgt durch die Turbulenz in der Scherschicht zwischen unverdrallter Zerstäubungs­ luft und verdrallter Mischluft.
In der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse erfolgen die Zerstäubung und Vorverdampfung einerseits und die Vor­ mischung andererseits in getrennten Zonen. Die Vorver­ dampfung erfolgt mit einem unverdrallten Luftstrom ho­ her Geschwindigkeit innerhalb des ersten Ringkanals, während die sich daran anschließende Vormischung mit­ tels verdrallter Luftströmung aus dem zweiten Ringkanal in dem Düsenrohr erfolgt. So entsteht ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit vollständig verdampftem Kraftstoff, das in einer sich an die Zerstäuberdüse an­ schließenden Brennkammer bei geringerer Stickoxidemis­ sion verbrannt wird.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Zeichnung.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Zerstäuberdüse im Längsschnitt und
Fig. 2 einen Trennkörper mit Drallelementen.
Die in Fig. 1 gezeigte Zerstäuberdüse 1 ist mit einem Lufteinlaß 2 an eine nicht dargestellte Druckquelle, wie z. B. einen Verdichter, angeschlossen, die erwärmte Luft mit einer Temperatur von etwa 350 bis 700°C bei einer Geschwindigkeit von 80 bis 130 m/sec. bereit­ stellt. Die Luft strömt mit einem Druck von 3 bis über 50 bar in die Zerstäuberdüse ein. Der Lufteinlaß 2 ist ringförmig ausgebildet, wobei sich der Querschnitt stromabwärts, also von der Druckquelle entfernend, ver­ jüngt, um die Luft weiter zu beschleunigen. An den Lufteinlaß 2 schließt sich ein Düsenrohr 3 an, dessen Durchmesser sich im Stromverlauf kontinuierlich ver­ jüngt. An das stromabwärts liegende Ende des Düsenrohrs 3 schließt sich ein Diffusor 4 an, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung vergrößert, um den Luftstrom zu verlangsamen und Verwirbelungen für die sich an den Diffusor 4 anschließende Brennkammer 5 zu erzeugen. Die Übergänge zwischen dem Lufteinlaß 2, dem Düsenrohr 3 und dem Diffusor 4 sind stetig, d. h. daß keine die Strömung behindernden Kanten vorhanden sind.
In dem Lufteinlaß 2 und dem Düsenrohr 3 erstreckt sich ein axial angeordneter Innenkörper 6, der die Luftströ­ mung im inneren Bereich des Lufteinlasses 2 und des Düsenrohres 3 führt. In dem ringförmigen Zwischenraum 7 zwischen der Innenwand des Lufteinlasses 2 und dem In­ nenkörper 6 befindet sich eine Zuführvorrichtung 8 für den flüssigen Kraftstoff. Die Zuführvorrichtung 8 be­ steht aus einem den Innenkörper 6 umgebenden Ringkörper 9, der mit Haltestreben 10 an dem Lufteinlaß 2 be­ festigt ist. Die Haltestreben 10 halten auch den Innen­ körper 6.
In zumindest einer der Haltestreben 10 verläuft eine Kraftstoffleitung 11 bis in den Ringkörper 9. Dort schließt sich ein ringförmiger, innerhalb des Ringkör­ pers 9 umlaufender Kanal 12 an, der den Kraftstoff auf­ nimmt. Stromabwärts läuft der Ringkörper 9 in einer Zunge 13 aus, die in einer Abrißkante 14 endet. Die Abrißkante 14 befindet sich im Übergangsbereich zwi­ schen dem Lufteinlaß 2 und dem Düsenrohr 3. Der ringförmige Kraftstoffkanal 12 setzt sich innerhalb des Ringkörpers 9 stromabwärts fort und hat am Anfang der Zunge 13 eine ringförmige Austritts-Öffnung 15, aus der der Kraftstoff austritt und die Zunge mit einem Film be­ legt. Die ringförmige Öffnung 15 befindet sich an der Außenseite des Ringkörpers 9. Im Bereich der mit dem Kraftstoffilm benetzten Zunge 13 hat der Innenraum 7 des Lufteinlasses 2 seinen geringsten Querschnitt. In diesem Bereich hat der Innenkörper 6 seinen größten Durchmesser, wobei die Breite des Durchtrittsbereiches für die Luft im Vergleich zu dem Einlaßbereich des Lufteinlasses 2 etwa halbiert ist. Die einströmende Luft hat also hier eine erhöhte Geschwindigkeit. Die einströmende unverdrallte Luftströmung umströmt den Ringkörper 9 und die Zunge 13 innen und außen und treibt den Kraftstoff auf der Außenseite der Zunge 13 auf die Abrißkante 14 zu. Die Luftströmung löst den Kraftstoff an der Abrißkante 14 ab, wobei ein Spray 16 aus Luft und Kraftstofftropfen entsteht.
Im Einlaßbereich des Düsenrohres 3 befindet sich ein ringförmiger Trennkörper 17, der den zwischen Innenkör­ per 6 und Düsenrohr 3 befindlichen Düsenraum 18 in ei­ nen innenliegenden ersten Ringkanal 19 und einen außen­ liegenden zweiten Ringkanal 20 unterteilt. Der erste Ringkanal 19 wird von dem Innenkörper 6 und dem Trenn­ körper 17 begrenzt. Der konzentrisch zu dem ersten Ringkanal 19 verlaufende zweite Ringkanal 20 wird von dem Trennkörper 17 und dem Düsenrohr 3 begrenzt. An ihren stromaufwärts liegenden Enden stehen die beiden Ringkanäle 19, 20 mit dem Lufteinlaß 2 in Verbindung. An ihren stromabwärts liegenden Enden stehen die beiden Ringkanäle 19, 20 mit dem Düsenraum 18 in Verbindung.
Im stromaufwärts liegenden Eingangsbereich des ersten Ringkanals 19 ist die Abrißkante 14 angeordnet. Das sich hinter der Abrißkante 14 bildende Spray 16 wird von der Luftströmung durch den ersten Ringkanal 19 be­ wegt. Im Verlauf des ersten Ringkanals 19 weitet sich Spraygemisch 16 in Richtung der Wände auf. Die Höhe des ersten Ringkanals 19 ist so ausgelegt, daß keine Kraftstofftropfen die Wände benetzen. Eine Benetzung von Innenteilen der Zerstäuberdüse 1 mit Kraftstoff hätte zur Folge, daß dieser zu lange in der Zerstäuber­ düse 1 verweilen und aufgrund der hohen Temperatur und des Druckes der einströmenden Luft sich bereits inner­ halb der Zerstäuberdüse 1, und nicht erst im Brennraum 5 entzünden würde.
Das Ablösen des Kraftstoffilmes an der Abrißkante 14 wird als Primärzerstäubung bezeichnet. Dabei entstehen mehr oder weniger große Kraftstofftropfen. In dem er­ sten Ringkanal 19 findet die sogenannte Sekundärzer­ stäubung des Kraftstoffes statt. Die Kraftstofftropfen werden in dem ersten Ringkanal 19 infolge der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen unverdrallt einströmen­ der Luft und den Kraftstofftropfen zu immer kleineren Kraftstofftropfen zerstäubt. Die an beiden Seiten der Abrißkante 14 vorbeiströmende Luft umhüllt das sich hinter der Abrißkante 14 bildende Kraftstoff-Luft-Ge­ misch 16. Dies verringert die Gefahr des Kraftstoffnie­ derschlags an den Wänden des ersten Ringkanals 19. Die kleineren Kraftstofftropfen verdampfen aufgrund der Lufttemperatur, weshalb der erste Ringkanal 19 auch als Vorverdampfungszone VZ bezeichnet wird. Die Länge des ersten Ringkanals 19 ist derart bemessen, daß möglichst viele Kraftstofftropfen verdampfen, was durch eine hohe Verweilzeit des Kraftstoffes erreicht werden kann, die Verweilzeit jedoch nicht so groß wird, daß sich eine Selbstzündung des Kraftstoffes innerhalb der Zerstäu­ berdüse 1 ereignet.
Im zweiten Ringkanal 20 befinden sich Drallelemente 21, die die in den zweiten Ringkanal 20 axial einströmende Luft in Rotation versetzen, d. h. der Luftströmung eine Umfangskomponente geben. In Fig. 2 ist ein Ausschnitt des Trennkörpers 17 in Draufsicht gezeigt. Die Drall­ elemente 21 sind als gebogene Leitbleche ausgebildet, wobei durch den Grad der Umlenkung der Betrag der Ver­ drallung der Luft bestimmt ist. Die verdrallte Luft tritt am stromabwärts liegenden Ende des zweiten Ring­ kanals 20 in den Düsenraum 18 ein und trifft dort auf das unverdrallt strömende Kraftstoff-Luft-Gemisch 16 auf. In dem Düsenraum 18, der die Vormischungszone MZ bildet, vermischen sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch 16 und die verdrallte Luft miteinander zu einer homogenen Mischung, wobei je nach Auslegung der Gasturbine eine für die magere Verbrennung gewünschte Luftzahl von ca. 2 erreicht wird. "Luftzahl 2" bedeutet, daß die doppel­ te Menge Luft vorhanden ist wie bei einer stöchiometri­ schen Verbrennung. Durch die stetige Abnahme der Quer­ schnittsfläche des Düsenraumes 18 wird das Kraftstoff- Luft-Gemisch kontinuierlich beschleunigt, so daß keine Strömungsablösung und auch keine Rückströmungen in den Düsenraum 18 möglich sind.
Am stromabwärts liegenden Ende des Düsenrohres 3 läuft der Innenkörper 6 in einer Spitze aus. Diese Spitze weist einen Luftauslaß 22 auf, der in Verbindung mit einem Einlaßkanal 23 und einem inneren Hohlraum 24 des Innenkörpers 6 steht. In den Einlaßkanal 23 tritt im Bereich der Zuführvorrichtung 8 Luft ein, die in den Hohlraum 24 geführt wird. Dort wird die Luft infolge der Querschnittsverringerung des Hohlraums 24 beschleu­ nigt, so daß ihre Geschwindigkeit der der um den Innen­ körper 6 herumströmenden Luft angepaßt wird. Am Ende des Hohlraums 24 tritt die Luft aus dem Luftauslaß 22 aus und verhindert eine Ablösung und Verwirbelung der Strömung hinter der Spitze des Innenkörpers 6. Der In­ nenkörper 6, die Innenkontur des Düsenrohrs 3 und die Drallelemente 21 sind so ausgestaltet, daß bei geeigne­ ter Luftströmung das Kraftstoff-Luft-Gemisch 16 weder an den Innenkörper 16 noch an das Düsenrohr 3 gelangt.
In dem Diffusor 4 wird das strömende Kraftstoff-Luft- Gemisch aufgeweitet und in die Brennkammer 5 hinein verwirbelt, wo es gezündet wird.

Claims (8)

1. Zerstäuberdüse (1) für die Kraftstoffzerstäubung in Brennern, insbesondere für Gasturbinen, mit einem Druckraum, einem von dem Druckraum abgehenden ersten Ringkanal (19), der an einem Ende einen Einlaß und an dem anderen Ende einen Auslaß aufweist, einer in den ersten Ringkanal (19) Kraftstoff einleitenden Zuführvorrichtung (8), einem den ersten Ringkanal (19) umgebenden zweiten Ringkanal (20), der einen Drucklufteinlaß aufweist und Drallelemente (21) ent­ hält, und dessen Auslaß denjenigen des ersten Ring­ kanals (19) umgibt, und einem sich an den Auslaß des zweiten Ringkanals (20) anschließenden und sich in Strömungsrichtung verjüngenden Düsenrohr (3), das einen Vormischer (18) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführvorrichtung (8) im Bereich des Einlas­ ses des ersten Ringkanals angeordnet ist, wobei der erste Ringkanal (19) einen Vorverdampfer bildet, in dem im wesentlichen der gesamte zugeführte Kraft­ stoff verdampft.
2. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Ringkanal (19) einen axial verlaufenden Innenkörper (6) umgibt, der sich bis in das Düsenrohr (3) erstreckt.
3. Zerstäuberdüse nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innenkörper (6) an seinem strom­ abwärts liegenden Ende mindestens eine den Strömungsabriß des Kraftstoff-Luft-Gemisches verhindern­ de Luftöffnung (22) aufweist.
4. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführvorrichtung (8) einen von unverdrallter Luft umströmten Ringkörper (9) aufweist, der an seinem stromabwärts liegenden Ende in eine ringförmige Zunge (13) mit einer Abrißkante (14) übergeht, wobei am Ringkörper (9) umfangsmäßig verteilt mindestens eine Austrittsöffnung (15) für den Kraftstoff vorgesehen ist, so daß die Luft den Kraftstoff auf der Zunge (13) verteilt und an der Abrißkante (14) ablöst.
5. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die einströmende Luft auf eine Temperatur von 350-700°C vorgewärmt ist.
6. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmgeschwindigkeit der Luft 80-130 m/sec. beträgt.
7. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft mit einem Druck von 3 bis über 50 bar einströmt.
8. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinlässe und die Zuführ­ vorrichtung (8) derart ausgebildet sind, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch eine Luftzahl von etwa 2 aufweist.
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