DE19729246C2 - Zerstäuberdüse für die Kraftstoffzerstäubung in Brennern - Google Patents
Zerstäuberdüse für die Kraftstoffzerstäubung in BrennernInfo
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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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- 1998-06-29 GB GB9814060A patent/GB2327120B/en not_active Expired - Fee Related
- 1998-07-08 FR FR9808746A patent/FR2765952B1/fr not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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