CN102141245A - 喷嘴以及用于这种喷嘴的运行的方法 - Google Patents

喷嘴以及用于这种喷嘴的运行的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及喷嘴以及用于这种喷嘴的运行的方法，具体而言，涉及一种尤其地用于将液体燃料(优选为原油)喷射到燃气涡轮的燃烧室中的喷嘴(10)，其包括沿着喷嘴轴线(19)延伸的内室(16)，该内室朝向同心的喷嘴开口(17)锥形地渐缩，并且通过多个布置成围绕喷嘴轴线(19)分布的进口孔(18)从外部将待喷射的介质供应给内室，其中，进口孔(18)垂直于喷嘴轴线(19)定向，并且分别切向地通入到内室(16)中。在这种喷嘴中，通过以下方式实现改进的喷雾锥体，即，在内室(16)中以同心切且不可运动的方式布置有在轴向方向上延伸的销(14)，其穿过进口孔(18)的通入部的区域，并且延伸直到喷嘴开口(17)中。

Description

喷嘴以及用于这种喷嘴的运行的方法
技术领域
本发明涉及尤其地与燃气涡轮相关的燃烧技术的领域。本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的喷嘴以及一种用于这种喷嘴的运行的方法。
背景技术
为了将液体的(flssüig)燃料雾化地
Figure BSA00000433806200011
喷射到燃气涡轮的燃烧室中，从现有技术中已知多种不同的喷嘴，这些喷嘴在其内部的构造和所产生的喷雾锥体(Sprühkegel)的类型方面不同。
例如从文件WO 2009/095100中已知一种带有涡流通道(Drallkanal)的燃料喷嘴，其包含套管(Hülse)和销。该销如此地布置在套管中，即，使得套管的内表面与销的外周缘表面
Figure BSA00000433806200012
以配合的方式(schlüssig)相连接。涡流通道以凹槽(Vertiefung)的形式沿着销的外周缘表面伸延，该涡流通道在外周缘表面上螺旋形地绕着销的中心轴线缠绕。由于销布置在套管中，涡流通道径向上基于销的中心轴线通过套管的内表面来覆盖或限制。套管在离开燃料喷嘴的燃料的流动方向上具有出口开口。销如此地布置在套管中，即，使得销的盖面朝着套管的出口开口回缩(zurückversetzen)。由此构造了涡流室。在涡流室中发生燃料(在目前实施例中为油)与空气的混合。另外，通过回缩使薄膜喷雾代替射流喷雾成为可能。同样可能的是，盖面与出口开口对准(fluchten)。在涡流室的情况中，只可困难地调整喷雾锥体。如果盖面与出口开口对准，则燃料仅在涡流通道的端部处流出，即燃料强烈地局部化。此外，涡流通道的制造是相对昂贵的。
文件DE 2654587A1公开了一种用于液体的带有涡流室的压力雾化喷嘴，其包括带有切向通入的涡流通道的圆柱形的区段和锥形的
区段(其通向喷嘴孔)，并且其由在圆柱形的区段中引导的且由液体克服弹簧的压力被施加作用(beaufschlagen)的控制活塞(Steuerkolben)来限制，通过该控制活塞的纵向移位使涡流室的容积和涡流通道的入口截面依赖于液体压力自动地变化，其中，在控制活塞的端侧处布置有喷嘴针阀(Düsennadel)，该喷嘴针阀伸出到喷嘴孔中，并且与该喷嘴孔形成环状间隙(Ringspalt)，该环状间隙随着涡流通道的入口截面来增大或减小。因此，此处描述了一种控制和调节机构，其借助于控制活塞和可运动的喷嘴针阀以或多或少的程度减小出口截面，并且以或多或少的程度覆盖侧向上进入的涡流通道。
从文件EP 1793165中已知一种用于燃气涡轮燃烧室的用于与主燃料33和引燃燃料32(Pilotbrennstoff)一起运行的液体燃料喷嘴(该文件的图1)，该液体燃料喷嘴包含喷嘴盖100(Düsenkappe)，喷嘴嵌件101，引燃嵌件102及喷嘴体103。引燃嵌件102布置在喷嘴嵌件101之内。喷嘴嵌件101本身布置在喷嘴盖100之内。喷嘴具有引燃通道105，其向引燃嵌件102供应燃料32。引燃嵌件102具有涡流室110，引燃涡流孔107切向地通入到该涡流室110中。引燃燃料32通过引燃通道105从引燃嵌件102的周围流动通过引燃涡流孔107，并且在该处获得涡流，利用该涡流引燃燃料在涡流室110中运动。引燃燃料32在涡流室110的内壁处形成了薄膜，并且以细小的微滴从引引燃喷射孔108中射出。因此，在该处布置有中心管，引燃燃料32通过该中心管流出。在喷嘴中实现了主燃料33和引燃燃料32的组合的同心的喷射，其中，两个喷雾锥体自然地(
Figure BSA00000433806200021
)相互影响。
文件EP 1793165的引燃布置的结构和功能与单一涡流喷雾器相当，单一涡流喷雾器在D.B Kulshreshtha等人的《为微型燃气涡轮发动机而设计的压力涡流喷雾器的喷射锥角和穿透长度的变型》，国际流体动力学学报，第5卷，第2篇，165-172页(2009)(Variations of SprayCone Angle and Penetration Length of Pressure Swirl Atomizer Designedfor Micro Gas Turbine Engine，Int.J.Dynamics of Fluids，Vol.5，Number2，pp.165-172(2009))的文章中说明。在两种情况中，处于压力下且设有涡流的燃料从圆形的孔洞中流出。涡流室(燃料切向地并垂直于喷嘴轴线流入到该涡流室中)构造成不带有促进涡流的装置的简单的腔室。两者导致了喷雾锥体的非最优的构造，此外，该喷雾锥体具有受限制的锥角。
发明内容
因此，本发明的目的为，创造一种用于液体的燃料(尤其以原油的形式)的喷嘴，以及公开一种用于该喷嘴的运行的方法。
该目的通过权利要求1和14的特征的总和来实现。对于本发明重要的是，在喷嘴的内室中以同心且不可运动的方式布置有在轴向方向上延伸的销，该销穿过进口孔的通入部(Einmündung)的区域，并且延伸直到喷嘴开口中。在内室的中心的销促进了通过进口孔切向地引入的燃料的涡流。同时，销将喷嘴开口变窄成环状间隙，通过该环状间隙有力地改进了喷雾锥体的形成。喷嘴具有静态的特征，并且设置成用于与主燃料(即在无额外的引燃燃料的情况下)一起运行。
本发明的一种设计方案的特征在于，喷嘴开口构造成圆形，并且销在喷嘴开口的区域中如此地具有圆形的横截面，即，在销和喷嘴开口的边缘之间形成圆环形状的间隙。该间隙在喷嘴的运行期间为恒定的。
尤其地，销可以连续圆柱形的方式构造成带有恒定的外径。
但是，同样可设想，销以圆柱形的方式构造成带有恒定的外径，并且在喷嘴开口的区域中具有偏离于圆柱形的形状，尤其地构造成以锥形的方式渐缩。
本发明的另一种设计方案的特征在于，内室在与喷嘴开口相对的侧边上通过垂直于喷嘴轴线来定向的壁而封闭，并且销伸展直到壁，并固定在壁处。尤其地，销可与壁一起构造成单件。
本发明的另一种设计方案的特征在于，内室具有圆柱形的区段和在轴向方向上联接到圆柱形的区段处的锥形地渐缩且通入到喷嘴开口中的区段，并且进口孔通入到内室的圆柱形的区段中。
本发明的另一种设计方案的特征在于，内室由外室同心地来围绕，并且外室通过进口孔与内室相连接。
优选地，在此外室由管状的壳体包围，该壳体在一端部处是敞开的，并在另一端部处通过喷嘴板来闭合，并且内室布置在喷嘴板中。
尤其地，该壳体包括圆柱区段和锥形区段，并且带有内室的喷嘴板布置在壳体的圆柱形的区段中。
本发明的另一种设计方案的特征在于，至少三个进口孔以围绕喷嘴轴线在一个平面中均匀分布的方式布置。
当喷嘴开口具有3mm的内径且销具有2mm的外径时，并且三个进口孔设置成分别带有1mm的内径时，达到好的结果。
当喷嘴开口具有2.5mm的内径且销具有2mm的外径时，并且三个进口孔设置成分别带有1mm的内径时，同样达到好的结果。
同样适用的是，喷嘴开口具有2.5mm的内径且销具有1.8mm的外径，并且三个进口孔设置成分别带有1mm的内径。
在根据本发明的方法中，喷嘴加载有在1和5bar之间的范围中的喷射压力，或以在40和120kg/h之间的质量流量率来运行。
附图说明
下面借助于实施例结合图纸来详细地阐述本发明。其中：
图1在纵截面(图1a)中和在横截面(图1b)中显示了带有四个切向的进口孔和内室的喷嘴的结构，如其为本发明的出发点那样；
图2在后视图(图2a)中和在纵截面(图2b)中显示了根据本发明的一种实施例的喷嘴；
图3在后视图(图3a)中和在纵截面(图3b)中显示了根据图2的喷嘴的壳体；
图4在侧视图(图4a)中和在正视图(图4b)中显示了根据图2的喷嘴的带有销的嵌件；
图5在侧视图(图5a)中，在纵截面(图5b)中及在横截面(图5c)中显示了根据图2的喷嘴的带有内室和喷嘴开口的喷嘴板(图5c)；
图6显示了针对两个不同组的喷嘴参数的不带有销的根据图1的喷嘴的喷雾锥体的锥角与质量流量的关系线图；
图7显示了针对水和原油的用于根据图2的示例性的喷嘴的质量流量与喷射压力(pinj)的关系线图；
图8显示了针对水和原油的带有销的根据图2的喷嘴的喷雾锥体的锥角与质量流量的关系线图；并且
图9显示了针对两个其它组的喷嘴参数的带有销的根据图2的喷嘴的喷雾锥体的锥角与质量流量的关系线图。
参考标号列表
10，20 喷嘴
11     壳体
11a    圆柱区段
11b    锥形区段
12     外室
13     嵌件
13a    盘
13b    凸肩
14     销
15     喷嘴板
15a    盘
15b    凸肩
15c    圆柱区段
16，24 内室
17，25  喷嘴开口
18，22  进口孔
19      喷嘴轴线
21      后部件
23      前部件
F       内径(喷嘴开口)
F1      外径(销)
J       内径(进口孔)
pinj    喷射压力
具体实施方式
图1在纵截面(图1a)中和在横截面(图1b)中描述了带有内室的喷嘴的结构，如其为本发明的出发点那样。喷嘴20由后部件21和前部件23组成，后部件21和前部件23彼此相邻并由此限定了内室24。内室24包括圆柱形的区段(其布置在后部件21中)和锥形地渐缩的区段(其安放在前部件23中)。锥形区段的尖的端部过渡到圆形的喷嘴开口25中，通过该喷嘴开口25液体的燃料可在压力下以喷雾锥体的形状向外流出。
燃料从外面通过四个位于一个平面中的切向地通入到内室24中的进口孔22引入到内室24中。进口孔22的切向的取向确保，流入到内室24中的燃料具有围绕于喷嘴轴线(19在图3中)的涡流，涡流有助于在喷雾锥体中形成最细的微滴。
以图1的配置为出发点，本发明目前建议，在内室中布置销，该销一方面促进流入到内室中的燃料的涡流，并且另一方面使喷嘴开口变窄成环状间隙。该销布置成不可运动的，喷嘴具有静态的特征，并且设置成用于仅与液体的主燃料一起运行。
图2在后视图(图2a)中和在纵截面(图2b)中显示了根据本发明的一种实施例的相应的喷嘴。单独的部件(图2的喷嘴10由这些部件组成)在图3，4和5中在不同的视图中示出。
喷嘴10具有外室12和内室16。外室12向外通过管状的壳体11来限制，该壳体11根据图3相对于喷嘴轴线19同心，并且包含圆柱区段11a和锥形区段11b。在锥形区段11b的侧边上，壳体11是敞开的，从而使得燃料可从该处未受阻碍地流入到外室12中。在相对的侧边上，壳体11向外通过装备有盘15a和凸肩15b的圆盘形状的喷嘴板15来封闭。
在构造在喷嘴板15处的向后突入到外室12中的圆柱区段15c(图5)的内部中设置有同心的内室16。内室16利用锥形地渐缩的、穿过盘15a的区段通入布置在喷嘴板15的前侧上的圆形的喷嘴开口17中，该喷嘴开口17具有内径F(图5b)。向后在内室16的锥形的区段处联接有圆柱区段，该圆柱区段在后端部处通过嵌件13的盘13a和凸肩13b来闭合。在嵌件13处模制有(anformen)轴向定向的销14，该销14在中心穿过内室16直到喷嘴开口17，并且将喷嘴开口闭合除了环状间隙之外。通过自由的环状间隙，位于内室16中的燃料在形成喷雾锥体的情况下向外流出。
来自于外室12的燃料通过多个围绕于喷嘴轴线均匀分布且布置在垂直于喷嘴轴线定向的平面中(在图2的例子中总共为3个；参见图5c)的进口孔18流入到内室16中。进口孔18切向地通入到内室16中(图5c)，从而使得流入的燃料获得了围绕于销14的强烈的涡流，此外，该涡流尤其由于销14几乎无阻碍地延续直到喷嘴开口17。进口孔18各自具有内径J(图5c)。
在图1和图2中所显示的类型的喷嘴的情况下进行测量，其中，喷嘴的一定的参数变化。结果以线图的形式在图6，7，8和9中描述。图6显示了喷射压力在1和8bar之间时针对两个不同组的喷嘴参数且针对介质水的不带有销的根据图1的喷嘴的喷雾锥体的锥角与质量流量的关系线图。一种喷嘴(在图6中菱形)具有0.9mm的喷嘴开口25的内径，1.5mm的进口孔22的内径，12.2mm的内室24的圆柱形区段中的直径及12.1mm的内室24的轴向长度。另一种喷嘴(在图6中方形)具有0.9mm的喷嘴开口25的内径，1.0mm的进口孔22的内径，7mm的内室24的圆柱形区段中的直径及6mm的内室24的轴向长度。可看出，锥角未随质量流量非常强烈地变化，并且即使在大于55kg/h的高的质量流量时保持在60°之下。
图7显示了针对水和原油的用于根据图2的示例性的喷嘴的质量流量与喷射压力(pinj)的关系线图。喷嘴10在这种情况中具有三个带有内径J＝1mm的进口孔18，喷嘴开口17具有F＝3mm的内径，销14为连续圆柱形带有外径F1＝2mm，从而使得形成了带有0.5mm的间隙宽度的环状间隙。
相比图6，图8显示了针对水和原油的带有圆柱形的销的根据图2的喷嘴的喷雾锥体的锥角与质量流量的关系线图，其中，喷嘴为与图7中一样的喷嘴10。
图9显示了针对两个其它组的喷嘴参数的带有圆柱形的销14的根据图2的喷嘴10的喷雾锥体的锥角与质量流量的关系线图，其中，一种喷嘴(在图9中方形)具有三个带有J＝1mm的进口孔18，带有F＝2.5mm的喷嘴开口17及带有F1＝2mm的销14的外径，而另一种喷嘴(在图9中菱形)具有三个带有J＝1mm的进口孔18，带有F＝2.5mm的喷嘴开口17及带有F1＝1.8mm的销14的外径。
可看出，相对于没有中心销的喷嘴，不仅对于水而且对于原油都产生了明显较大的锥角。没有销时，喷嘴开口25(图1)由介质填充，并且喷雾锥体的角度很大程度上为恒定的。旋转速度(在涡流中)强烈地下降，并且在轴向方向上的速度提高。与之相反，销14强制在喷嘴开口17之内带有高的旋转速度的旋转流动(涡流流动)。由此，喷嘴特别适合于以许多不同的喷射点使用在燃气涡轮的燃烧室中。
根据本发明的喷嘴特别适合于与原油(高密度)一起运行。该喷嘴相对小，并且特征在于在内室中大的涡流。这导致了，表面应力(其在没有销14时如此大，从而使得喷射角仅为大约50-55°(“平喷(plainjet)”，参见图6))失去了其影响。由于销14，因此可显著地增大喷雾角(增大到大约90-100°，参见图8，9)。销14的形状——如已经提及的那样——不必强制为圆柱形的，逐渐变细的形状或者诸如此类同样可为可行的。在运行期间，销14固定在喷嘴中，例如牢固地布置在与喷嘴开口17相对的壁13上，并且因此是不可运动的。因此，在喷嘴开口17中圆环形的流出间隙具有恒定的几何尺寸。

Claims (14)

1.一种喷嘴(10)，尤其地用于将液体燃料、优选为原油喷射到燃气涡轮的燃烧室中，所述喷嘴(10)包括沿着喷嘴轴线(19)延伸的内室(16)，所述内室(16)朝向同心的喷嘴开口(17)锥形地渐缩，并且通过多个布置成围绕所述喷嘴轴线(19)分布的进口孔(18)从外部给所述内室(16)供应待喷射的介质，其中，所述进口孔(18)垂直于所述喷嘴轴线(19)定向，并且分别切向地通入到所述内室(16)中，其特征在于，在所述内室(16)中以同心且不可运动的方式布置有在轴向方向上延伸的销(14)，所述销(14)穿过所述进口孔(18)的通入部的区域，并且延伸直到所述喷嘴开口(17)中。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴开口(17)构造成圆形，并且所述销(14)在所述喷嘴开口(17)的区域中如此地具有圆形的横截面，即，在所述销(14)和所述喷嘴开口(17)的边缘之间形成圆环形状的在所述喷嘴运行期间不可变的间隙。
3.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述销(14)以连续圆柱形的方式构造成带有恒定的外径(F1)。
4.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述销(14)以圆柱形的方式构造成带有恒定的外径(F1)，并且在所述喷嘴开口(17)的区域中具有偏离于圆柱形的形状，尤其地以锥形地渐缩的方式来构造。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述内室(16)在与所述喷嘴开口相对的侧边上通过垂直于所述喷嘴轴线(19)而定向的壁(13)来封闭，并且所述销(14)伸展直到所述壁(13)，并固定在所述壁(13)处。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述内室(16)具有圆柱形的区段和在轴向方向上联接到所述圆柱形的区段处的锥形地渐缩且通入到所述喷嘴开口(17)中的区段，并且所述进口孔(18)通入到所述内室(16)的圆柱形的区段中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述内室(16)由外室(12)同心地围绕，并且所述外室(12)通过所述进口孔(18)与所述内室(16)相连接。
8.根据权利要求7所述的喷嘴，其特征在于，所述外室(12)由管状的壳体(11)包围，所述壳体在一端部处是敞开的，并在另一端部处通过喷嘴板(15)来闭合，并且所述内室(16)布置在所述喷嘴板(15)中。
9.根据权利要求8所述的喷嘴，其特征在于，所述壳体(11)包括圆柱区段(11a)和锥形区段(11b)，并且带有所述内室(16)的所述喷嘴板(15)布置在所述壳体(11)的圆柱形的区段(11a)中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的喷嘴，其特征在于，至少三个进口孔(18)以围绕所述喷嘴轴线(19)在一个平面中均匀分布的方式布置。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴开口(17)具有3mm的内径(F)且所述销(14)具有2mm的外径(F1)，并且三个进口孔(18)设置成分别带有1mm的内径(J)。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴开口(17)具有2.5mm的内径(F)且所述销(14)具有2mm的外径(F1)，并且三个进口孔(18)设置成分别带有1mm的内径(J)。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴开口(17)具有2.5mm的内径(F)且所述销(14)具有1.8mm的外径(F1)，并且三个进口孔(18)设置成分别带有1mm的内径(J)。
14.一种用于根据权利要求1至13中任一项所述的喷嘴(10)的运行的方法，其特征在于，所述喷嘴(10)加载有在1和5bar之间的范围中的喷射压力，或以在40和120kg/h之间的质量流量率来运行。
CN201110037336.1A 2010-01-29 2011-01-28 喷嘴以及用于这种喷嘴的运行的方法 Active CN102141245B (zh)

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