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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung zum Erzeugen eines Brennstoffsprays aus einem flüssigen Brennstoff, umfassend eine Brennstroffzerstäubungseinrichtung und eine Zerstäubungskammer mit einem Zerstäubungskammereinlass und einem Zerstäubungskammerauslass, wobei die Brennstoffzerstäubungseinrichtung angeordnet und ausgebildet ist zum Zerstäuben des flüssigen Brennstoffs in der Zerstäubungskammer im Bereich des Zerstäubungskammereinlasses oder durch den Zerstäubungskammereinlass in die Zerstäubungskammer hinein, wobei die Zerstäubungsvorrichtung eine Brennstoffsprayführungseinrichtung zum Führen des Brennstoffsprays durch die Zerstäubungskammer hindurch zum Zerstäubungskammerauslass und durch diesen hindurch umfasst, wobei die Zerstäubungskammer eine Zerstäubungskammerwand umfasst, welche einen Zerstäubungsraum begrenzt und wobei die Brennstoffsprayführungseinrichtung eine Mehrzahl von Lufteinlässen umfasst, welche in der Zerstäubungskammerwand angeordnet oder ausgebildet sind.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkammer für einen flüssigen Brennstoff mit mindestens einem Brennkammereinlass, welcher mit einem Zerstäubungskammerauslass einer Zerstäubungsvorrichtung zum Erzeugen eines Brennstoffsprays eines flüssigen Brennstoffs fluidwirksam verbunden ist.
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Zudem betrifft die vorliegende Erfindung einen Brenner für flüssige Brennstoffe mit einer Brennkammer für einen flüssigen Brennstoff, welcher mindestens einen Brennkammereinlass aufweist, welcher mit einem Zerstäubungskammerauslass einer Zerstäubungsvorrichtung zum Erzeugen eines Brennstoffsprays eines flüssigen Brennstoffs fluidwirksam verbunden ist.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Brennstoffsprays aus einem flüssigen Brennstoff mit einer Zerstäubungsvorrichtung, bei welchem flüssiger Brennstoff in einer Zerstäubungskammer der Zerstäubungsvorrichtung oder durch einen Zerstäubungskammereinlass der Zerstäubungskammer in diese hinein zerstäubt wird.
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Es ist bekannt, das Prinzip der flammenlosen Oxidation von Gasen zur nutzen, um insbesondere in Brennkammern von Gasturbinen Wärme zu erzeugen zum Umsetzen in mechanische Energie. Ein Beispiel für eine solche Brennkammer mit flammenloser Oxidation ist aus der
DE 102 17 913 A 1 bekannt.
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Grundsätzlich lässt sich das Prinzip der flammenlosen Oxidation auch in Verbindung mit flüssigen Brennstoffen anwenden. Allerdings ist die Erzeugung eines für die flammenlose Oxidation geeigneten Brennstoffsprays deutlich schwieriger als eine Vermischung eines gasförmigen Brennstoffs mit Luft.
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Ein Problem beim Zerstäuben flüssiger Brennstoffe ist insbesondere, dass sich das Brennstoffspray ausdehnt und daher flüssiger Brennstoff auf eine innere Wandfläche der Zerstäubungskammer der Zerstäubungsvorrichtung oder auch auf innere Wandflächen in einem Brennraum oder eine Brennkammer eines Brenners auftreffen kann. Insbesondere dort, wo keine Flamme ausgebildet ist sowie bei niedrigen Temperaturen und/oder beim Starten des Brennvorgangs oder unter Teillast kann sich so flüssiger Brennstoff vor der Brennkammer sammeln und insbesondere ein brennbares oder explosionsfähiges Gemisch mit Luft bilden. Werden als flüssige Brennstoffe flüssige Kohlenwasserstoffe eingesetzt, können sich bei höheren Temperaturen Destillate des Brennstoffs auf heißen Oberflächen bilden, die pyrolysieren und/oder verkoken. Dabei entstehen insbesondere Schichten aus schweren, zähflüssigen Kohlenwasserstoffen oder feste Rückstände.
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Aus der
DE 198 56 169 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Zerstäuben eines flüssigen Mediums bekannt. Ein Brenner ist in der
DE 42 15 763 A1 offenbart. Eine Zerstäubungsanordnung ist in der
DE 100 02 000 A1 beschrieben. Eine Niederdruckzerstäubungsvorrichtung mit mehreren benachbarten Zweistoffdüsen ist aus der
DE 197 58 557 A1 bekannt. In der
DE 195 07 160 A1 ist eine Düse zur Vermischung und/oder Zerstäubung von Fluiden offenbart.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zerstäubungsvorrichtung, eine Brennkammer, einen Brenner und ein Verfahren zum Erzeugen eines Brennstoffsprays so zu verbessern, dass eine möglichst optimale flammenlose Oxidation des flüssigen Brennstoffs erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Zerstäubungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zerstäubungskammer einen sich ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass im Querschnitt erweiternden Einlassbereich aufweist, dass die Mehrzahl von Lufteinlässen Lufteinlasslängsachsen definiert, dass die Lufteinlasslängsachsen quer, insbesondere senkrecht, zur Längsachse verlaufen, dass die Lufteinlasslängsachsen und die Längsachse jeweils einen Neigungswinkel einschließen und dass der Neigungswinkel mit zunehmendem Abstand des jeweiligen Lufteinlasses vom Zerstäubungskammereinlass zunimmt.
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Da sich der Spraykegel ausgehend von der Brennstoffzerstäubungseinrichtung im Querschnitt erweitert, ist es vorteilhaft, dass die Zerstäubungskammer einen sich ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass im Querschnitt erweiternden Einlassbereich aufweist. So lässt sich die Wahrscheinlichkeit verringern, dass Brennstofftröpfchen auf Innenflächen der Zerstäubungskammer auftreffen können. Um eine undefinierte Ausdehnung des Brennstoffsprays zu verhindern, umfasst die Zerstäubungskammer eine Zerstäubungskammerwand, welche einen Zerstäubungsraum begrenzt. So lässt sich das Brennstoffspray im Zerstäubungsraum erzeugen und formen und in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass hin führen. Vorteilhaft ist es, dass die Brennstoffsprayführungseinrichtung eine Mehrzahl von Lufteinlässen umfasst, welche in der Zerstäubungskammerwand angeordnet oder ausgebildet sind. Insbesondere können die Lufteinlässe in Form von Durchbrechungen der Zerstäubungskammerwand ausgebildet sein. Wird mit der Brennstoffzerstäubungseinrichtung flüssiger Brennstoff unter hohem Druck und damit mit hoher Geschwindigkeit in die Zerstäubungskammer eingedüst, kann die Zerstäubungskammer umgebende Luft als Trägermedium für den Brennstoff durch die Lufteinlässe in den Zerstäubungsraum hineingesaugt werden und sich mit den Brennstofftröpfchen vermischen. Da die Luft von der Zerstäubungskammerwand ausgehend in den Zerstäubungsraum einströmt, kann die so einströmende Luft das Brennstoffspray von der Zerstäubungskammerwand fernhalten und so formen, dass es nicht mit der Zerstäubungskammerwand, insbesondere auch nicht im Bereich des sich verengenden Brennstoffkammerauslasses, in Kontakt treten kann. So kann eine optimale Führung des Brennstoffsprays durch die Zerstäubungskammer hindurch erreicht werden. Günstig ist es, dass die Mehrzahl von Lufteinlässen Lufteinlasslängsachsen definiert und wenn die Lufteinlasslängsachsen quer zur Längsachse verlaufen. Insbesondere können die Lufteinlasslängsachsen senkrecht zur Längsachse verlaufen. Durch die mit ihren Lufteinlasslängsachsen quer zur Längsachse orientierten Lufteinlässe kann das in der Zerstäubungskammer gebildete Brennstoffspray einfach und sicher von der Zerstäubungskammerwand ferngehalten werden. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen sein, dass die Lufteinlasslängsachsen und die Längsachse jeweils einen Neigungswinkel einschließen und dass der Neigungswinkel mit zunehmendem Abstand des jeweiligen Lufteinlasses vom Zerstäubungskammereinlass zunimmt. Mit anderen Worten wird Luft vorzugsweise unter einem kleinen Winkel bezogen auf die Längsachse direkt nach der Einspritzung des flüssigen Brennstoffs in die Zerstäubungskammer eingeleitet. So trifft das Trägermedium, also insbesondere Luft, unter einem flachen Winkel auf den Spraykegel. Je weiter sich die Tröpfchen des Brennstoffsprays vom Zerstäubungskammereinlass entfernen, umso schwerer wird es, diese zusammen zu halten. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Luft zunehmend unter einem größeren Winkel, insbesondere sogar senkrecht, auf eine Einhüllende des Spraykegels des Brennstoffsprays auftrifft. So lässt sich insbesondere in der Zerstäubungskammer eine das Brennstoffspray umgebende, in Richtung auf den Brennstoffkammerauslass strömende Luftschicht ausbilden, die das Auftreffen von Brennstofftröpfchen auf die Zerstäubungskammerwand wirksam verhindern kann.
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Die Brennstoffsprayführungseinrichtung ist insbesondere derart ausgebildet, dass möglichst verhindert wird, dass das Brennstoffspray innere Wandflächen der Zerstäubungskammer berührt, sodass das Brennstoffspray ohne Kontakt mit inneren Wandflächen der Zerstäubungskammer in die Brennkammer des Brenners, welche fluidwirksam mit dem Zerstäubungskammerauslass direkt oder indirekt verbunden sein kann, eingebracht werden kann. So können die beschriebenen Nachteile, insbesondere die Ausbildung explosionsfähiger Gemische des Brennstoffs sowie die Ablagerung unerwünschter Rückstände auf inneren Wandflächen der Zerstäubungsvorrichtung und/oder der Brennkammer wirksam verhindert werden.
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Auf einfache Weise lässt sich ein Brennstoffspray aus flüssigem Brennstoff erzeugen, wenn die Brennstoffzerstäubungseinrichtung eine Brennstoffeinspritzdüse umfasst. Durch die Brennstoffeinspritzdüse kann flüssiger Brennstoff zerstäubt werden.
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Auf besonders einfache und definierte Weise lässt sich ein Brennstoffspray erzeugen, wenn die Brennstoffeinspritzdüse in Form einer Druckzerstäuberdüse, einer Dralldüse oder einer Druckdralldüse ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist die Brennstoffzerstäubungseinrichtung ausgebildet zum Erzeugen eines Spraykegels, welcher einen Kegelwinkel definiert. Der Kegelwinkel ist insbesondere als Innenwinkel des Spraykegels definiert. Auf diese Weise kann ein insbesondere rotationssymmetrischer oder im Wesentlichen rotationssymmetrischer Spraykegel ausgebildet werden. Abhängig von der Wahl der Brennstoffeinspritzdüse kann der Spraykegel optional auch um seine Längsachse rotieren.
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Günstigerweise liegt der Kegelwinkel in einem Bereich von etwa 40° bis etwa 160°. Insbesondere kann er in einem Bereich von etwa 60° bis etwa 100° liegen. Je größer der Kegelwinkel ist, umso einfacher lassen sich einzelne Brennstofftröpfchen ausbilden und voneinander trennen. Zudem lässt sich so insbesondere auch eine Tröpfchengröße reduzieren und eine gute Vermischung und Verdampfung des flüssigen Brennstoffs mit Luft erreichen.
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Um das Brennstoffspray insbesondere in definierter Weise in eine Brennkammer einbringen zu können, ist es günstig, wenn die Zerstäubungskammer einen sich ausgehend vom Zerstäubungskammerauslass in Richtung auf den Zerstäubungskammereinlass hin im Querschnitt erweiternden Auslassbereich aufweist. Mit anderen Worten verengt sich die Zerstäubungskammer in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass hin. Insbesondere kann die Zerstäubungskammer zum Zerstäubungskammerauslass hin trichterförmig ausgebildet sein oder einen Trichter bilden. So können insbesondere mehrere dicht nebeneinander liegende und im Querschnitt relative kleine oder enge Brennkammereinlässe vorgesehen werden, durch die hindurch das Brennstoffspray in die Brennkammer eingebracht werden kann.
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Um insbesondere eine Verweilzeit des Brennstoffsprays in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass und damit in einer Zerstäubungsrichtung zu verlängern sowie um insbesondere einen Teil des Brennstoffsprays zu verdampfen, ist es vorteilhaft, wenn die Zerstäubungskammer einen Verdampferbereich aufweist, welcher sich an den Einlassbereich und/oder an den Auslassbereich anschließt. Insbesondere kann er zwischen dem Einlassbereich und dem Auslassbereich angeordnet oder ausgebildet sein.
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Auf einfache Weise ausbilden lässt sich die Zerstäubungsvorrichtung, wenn der Verdampferbereich einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser definiert. So lässt sich die Zerstäubungsvorrichtung zudem besonders kompakt ausbilden, da ein maximaler Außendurchmesser, der vom Einlassbereich definiert wird, nicht weiter vergrößert werden muss.
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Vorzugsweise nimmt eine Querschnittsfläche des Einlassbereichs ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass stetig zu. Insbesondere kann sie linear oder quadratisch, bei linearer Zunahme von Durchmesser beziehungsweise Radius des Einlassbereichs, zunehmen. So lässt sich die Zerstäubungsvorrichtung auf einfache Weise ausbilden. Zudem lässt sich das Brennstoffspray in einem derart geformten Einlassbereich relativ kompakt zusammenhalten und durch die Zerstäubungskammer hindurchführen.
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Besonders einfach ausbilden lässt sich die Zerstäubungskammer, wenn sich der Einlassbereich ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass konisch erweitert.
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Günstig ist es, wenn der Einlassbereich einen Konuswinkel definiert, welcher kleiner ist als der Kegelwinkel des Spraykegels. Auf diese Weise kann in der Zerstäubungskammer eine radiale Ausdehnung des Brennstoffsprays begrenzt werden. So lässt sich das Brennstoffspray insbesondere kompakt vorgeben und definieren.
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Vorzugsweise liegt der Konuswinkel in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 80°. Insbesondere kann er in einem Bereich von etwa 40° bis etwa 60° liegen. So lässt sich eine Zerstäubungsvorrichtung besonders kompakt ausbilden. Insbesondere dann, wenn eine Brennkammer mehrere Brennkammereinlässe zum Einleiten eines Brennstoffsprays aufweist, können diese besonders kompakt auf kleinem Raum angeordnet werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Brennstoffzerstäubungseinrichtung ausgebildet ist zum Erzeugen eines Hohlkegels oder eines Vollkegels. Auf diese Weise lässt sich eine Dichte von Brennstofftröpfchen im Brennstoffspray in gewünschter Weise vorgeben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Innendurchmesser des Zerstäubungskammereinlasses größer ist als ein Innendurchmesser des Zerstäubungskammerauslasses. So lässt sich beispielsweise eine Brennstoffdüse auf einfache Weise im Zerstäubungskammereinlass oder im Bereich des Zerstäubungskammereinlasses anordnen. Durch den im Innendurchmesser kleineren Zerstäubungskammerauslass kann das Brennstoffspray besonders kompakt und komprimiert in die Brennkammer hinein geleitet werden.
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Zur Führung des Brennstoffsprays ist es günstig, wenn die Zerstäubungsvorrichtung rotationssymmetrisch oder im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Ferner wird auch die Herstellung der Zerstäubungskammer auf diese Weise vereinfacht.
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Um auf definierte und einfache Weise ein Brennstoffspray erzeugen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Zerstäubungsvorrichtung eine Längsachse definiert und wenn die Brennstoffzerstäubungseinrichtung und die Zerstäubungskammer koaxial zur Längsachse angeordnet oder ausgebildet sind. So lässt sich zudem insbesondere die Wahrscheinlichkeit verringern, dass Brennstofftröpfchen auf innere Wandflächen der Zerstäubungskammer gelangen.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Brennstoffsprayführungseinrichtung ausgebildet ist zum Verringern eines Querschnitts des Brennstoffsprays oder des Spraykegels ausgehend von der Brennstoffzerstäubungseinrichtung in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass hin. Dies ermöglicht es insbesondere, das Brennstoffspray durch einen im Querschnitt kleinen Zerstäubungskammerauslass hindurch in eine Brennkammer einzuleiten. Die Brennstoffsprayführungseinrichtung dient also insbesondere dazu, das Brennstoffspray so zu formen beziehungsweise räumlich zu begrenzen, dass es möglichst kontaktfrei durch die Zerstäubungskammer hindurch und ohne mit der Brennkammer in Kontakt zu treten, in diese hineingelangen kann.
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Vorzugsweise schneiden die Lufteinlasslängsachsen die Längsachse oder verlaufen windschief zur Längsachse. Dies ermöglicht es insbesondere, durch die Lufteinlässe in die Zerstäubungskammer einströmende Luft direkt auf die Längsachse zu richten oder optional mit einer Komponente in Umfangsrichtung bezogen auf die Längsachse, um das Brennstoffspray um die Längsachse der Zerstäubungsvorrichtung rotieren zu lassen. Auf diese Weise kann insbesondere ein in seiner Form besonders stabiles Brennstoffspray ausgebildet werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Lufteinlass eine Lufteinlasslängsachse definiert, welche eine zur Längsachse verlaufende Parallelkomponente und/oder eine zur Längsachse senkrecht verlaufende Querkomponente aufweist. So lässt sich durch die unter einem bestimmten Winkel in die Zerstäubungskammer einströmende Luft in gewünschter Weise auf das erzeugte Brennstoffspray richten und so das Brennstoffspray in definierter Weise von der Brennstoffkammerwand fernhalten und formen.
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Vorzugsweise definiert mindestens ein Lufteinlass eine Lufteinlasslängsachse, welche eine bezogen auf die Längsachse in Umfangsrichtung verlaufende Umfangskomponente aufweist. Auf diese Weise kann das in der Zerstäubungskammer ausgebildete Brennstoffspray insbesondere in eine Rotation um die Längsachse versetzt werden. Eine solche Rotation stabilisiert das Brennstoffspray in seiner Form.
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Günstigerweise liegt der Neigungswinkel in einem Bereich von etwa 10° bis etwa 90°. Insbesondere kann er in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 80° liegen. Insbesondere kann die Luft so nahe der Brennstoffzerstäubungseinrichtung parallel oder im Wesentlichen parallel zum Spraykegel eingeleitet werden, und kann insbesondere mit zunehmendem Abstand von der Brennstoffsprayzerstäubungseinrichtung mit einem immer größer werdenden Neigungswinkel auf das Brennstoffspray gerichtet sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Mehrzahl von Lufteinlässen einen Lufteinlassquerschnitt definiert und wenn der Lufteinlassquerschnitt in Richtung auf den Zerstäubungsraum hin konstant ist oder abnimmt und/oder wenn die Lufteinlassquerschnitte mit zunehmendem Abstand der Lufteinlässe vom Zerstäubungskammereinlass abnehmen. Jeder Lufteinlass kann also insbesondere einen Lufteinlassquerschnitt definieren, welcher konstant sein oder abnehmen kann zur Ausbildung einer Lufteinlassdüse, die in Richtung auf den Zerstäubungsraum hin gerichtet ist. So lässt sich insbesondere ein Impuls der in den Zerstäubungsraum eintretenden Luft erhöhen. Wenn die Lufteinlassquerschnitte mit zunehmendem Abstand der Lufteinlässe vom Zerstäubungskammereinlass abnehmen, kann die Geschwindigkeit der einströmenden Luft auf diese Weise erhöht werden, um das Brennstoffspray besonders kompakt zusammenzuhalten und innere Oberflächen der Zerstäubungskammer zu schützen.
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Das Brennstoffspray lässt sich auf einfache Weise durch den Brennstoffkammerauslass hindurchführen, auch wenn dieser einen sehr kleinen Querschnitt aufweist, wenn ein Auslassbereichsquerschnitt des Auslassbereichs ausgehend vom Zerstäubungskammerauslass in Richtung auf den Einlassbereich hin linear oder nicht linear zunimmt. Insbesondere kann eine Schnittlinie einer die Längsachse enthaltenden Ebene mit dem Auslassbereich einen Kreisbogenabschnitt mit einem konstanten Krümmungsradius bilden. So lässt sich auf einfache Weise ein Trichter beziehungsweise ein trichterförmiger Auslassbereich ausbilden, durch den hindurch das Brennstoffspray beispielsweise in eine Brennkammer geleitet werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Auslassbereich und dem Verdampferbereich oder zwischen dem Auslassbereich und dem Einlassbereich mindestens ein Querlufteinlass vorgesehen ist, dessen Querlufteinlasslängsachse eine senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse verlaufende Ebene definiert. Der Querlufteinlass kann insbesondere in Form eines Ringspalts ausgebildet sein, durch den eine Luftströmung, die in Richtung auf die Längsachse hin gerichtet ist und das Brennstoffspray von allen Seiten einschließt und umgibt, in den Zerstäubungsraum eingeleitet werden kann. Durch die Vorwärtsbewegung des Brennstoffsprays, das die einströmende Luft mitnimmt, wird so auch im Auslassbereich eine das Brennstoffspray umgebende Luftschicht ausgebildet, die einen Kontakt der Brennstofftröpfchen des Brennstoffsprays mit der Zerstäubungskammer im Auslassbereich verhindern oder im Wesentlichen verhindern kann.
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Günstig ist es, wenn ein einziger Querlufteinlass zwischen dem Auslassbereich und dem Verdampferbereich oder zwischen dem Auslassbereich dem Einlassbereich vorgesehen ist. So kann insbesondere die Herstellung der Zerstäubungsvorrichtung vereinfacht werden.
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Vorzugsweise definiert der mindestens eine Querlufteinlass eine Spaltbreite. Optional kann die Zerstäubungsvorrichtung derart ausgebildet sein, dass sich die Spaltbreite variieren lässt. So lässt sich insbesondere die eintretende Luftmenge steuern oder gegebenenfalls auch regeln, und zwar indem die Spaltbreite des Querlufteinlasses verändert wird, also insbesondere ein Abstand zwischen dem Auslassbereich und dem Verdampferbereich oder zwischen dem Auslassbereich und dem Einlassbereich vergrößert oder verkleinert wird.
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Die Ausbildung der Zerstäubungsvorrichtung lässt sich weiter vereinfachen, wenn mehrere der Lufteinlässe eine gemeinsame und quer zur Längsachse verlaufende Lufteinlassebene definieren und wenn die Zerstäubungskammer mehrere Lufteinlassebenen definiert. Dies bedeutet insbesondere mit anderen Worten, dass die Längsachse umgebend mehrere Lufteinlässe in derselben Lufteinlassebene angeordnet oder ausgebildet sein können. Diese sind quasi auf einem konzentrisch zur Längsachse verlaufenden Kreis angeordnet beziehungsweise ausgebildet. Es können insbesondere mehrere solcher kreisförmiger Anordnungen mit mehreren Lufteinlässe vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn eine Zahl der die gemeinsame Lufteinlassebene definierenden Lufteinlässe mit zunehmendem Abstand der Lufteinlassebene vom Zerstäubungskammereinlass gleichbleibt oder zunimmt. Nimmt ein Querschnitt des Einlassbereichs ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass zu, sind vorzugsweise umso mehr Lufteinlässe vorgesehen, die eine gemeinsame Lufteinlassebene definieren, je weiter die jeweilige Lufteinlassebene vom Zerstäubungskammereinlass entfernt ist. So lässt sich mehr Luft zur Formung und Führung des Brennstoffsprays in die Zerstäubungskammer einleiten.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn eine die Längsachse enthaltende Ebene und die Zerstäubungskammer eine Schnittlinie definieren und wenn mehrere der Lufteinlässe ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass auf der Schnittlinie liegen. Diese Anordnung vereinfacht insbesondere die Herstellung der Zerstäubungskammer.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Brennkammer der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zerstäubungsvorrichtung in Form einer der oben beschriebenen vorteilhaften Zerstäubungsvorrichtungen ausgebildet ist. Die Brennkammer weist dann insbesondere auch die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Zerstäubungsvorrichtungen beschriebenen Vorteile auf.
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Günstigerweise umfasst die Brennkammer zwei oder mehr Brennkammereinlässe, welche jeweils mit einer Zerstäubungsvorrichtung fluidwirksam verbunden sind. Je mehr Brennkammereinlässe vorgesehen sind, umso mehr Brennstoff lässt sich in die Brennkammer einleiten. Entsprechend mehr Wärme kann in der Brennkammer erzeugt werden.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Brenner der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennkammer in Form einer der oben beschriebenen Brennkammern ausgebildet ist. Ein solcher Brenner weist dann auch die oben in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen von Brennkammern und Zerstäubungsvorrichtungen beschriebenen Vorteile auf.
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Vorteilhaft ist es, wenn eine Gasturbine, insbesondere in Form einer Mikrogasturbine, mindestens einen erfindungsgemäßen Brenner umfasst. Die Gasturbine weist dann ebenfalls die in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Brenner beschriebenen Vorteile auf.
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Vorteilhaft ist es, wenn ein Kraftwerk, insbesondere zum Erzeugen von Strom und/oder Wärme, mindestens einen erfindungsgemäßen Brenner umfasst. Ein solches Kraftwerk weist dann auch die oben in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Brenner beschriebenen Vorteile auf.
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Ferner kann auch ein Triebwerk, insbesondere für ein Luftfahrzeug, mindestens einen der oben beschriebenen Brenner umfassen. Ein solches Triebwerk weist dann auch die oben in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen von Brennern beschriebenen Vorteile auf.
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Des Weiteren kann auch eine Heizanlage zum Erzeugen von Wärme mindestens einen der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Brenner umfassen. Eine solche Heizanlage weist dann auch die oben in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen von Brennern beschriebenen Vorteile auf.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Brennstoffspray mit einer der oben beschriebenen Zerstäubungsvorrichtungen erzeugt und durch die Zerstäubungskammer hindurch zum Zerstäubungskammerauslass und durch diesen hindurchgeführt wird, ohne dass das Brennstoffspray die Zerstäubungskammer berührt.
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Ein auf die beschriebene Weise weitergebildetes Verfahren zum Erzeugen eines Brennstoffsprays kann also insbesondere helfen, das Auftreffen von Brennstofftröpfchen auf innere Wandflächen der Zerstäubungskammer und gegebenenfalls einer Brennkammer zu verhindern oder möglichst zu verhindern. So lassen sich insbesondere die eingangs beschriebenen Nachteile von aus dem Stand der Technik bekannten Zerstäubungsverfahren verhindern.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine flüssige Kohlenwasserstoff Kerosin, Diesel, Heizöl, Benzin, oder ein Alkohol oder ein Gemisch derselben. Das Verfahren eignet sich also insbesondere hervorragend, um gängige Brennstoffe zu zerstäuben, insbesondere auch flüssige bio- und syntetische Kraftstoffe wie Pflanzenöl, Rapsöl, Palmöl, Methyl-tert-butylether (MTBE) oder Pyrolyseöl.
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Ferner wird die Verwendung einer der oben beschriebenen Zerstäubungsvorrichtungen zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren zum Erzeugen eines Brennstoffsprays vorgeschlagen, und zwar insbesondere für einen der oben beschriebenen Brenner.
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Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Zerstäubungsvorrichtungen, Brennkammern, Brennern, Gasturbinen, Kraftwerken, Triebwerken, Heizanlagen und Verfahren zum Erzeugen eines Brennstoffsprays aus einem flüssigen Brennstoff:
- 1. Zerstäubungsvorrichtung (16) zum Erzeugen eines Brennstoffsprays (18) aus einem flüssigen Brennstoff, umfassend eine Brennstoffzerstäubungseinrichtung (46) und eine Zerstäubungskammer (20) mit einem Zerstäubungskammereinlass (22) und einem Zerstäubungskammerauslass (24), wobei die Brennstoffzerstäubungseinrichtung (46) angeordnet und ausgebildet ist zum Zerstäuben des flüssigen Brennstoffs in der Zerstäubungskammer (20) im Bereich des Zerstäubungskammereinlasses (22) oder durch den Zerstäubungskammereinlass (22) in die Zerstäubungskammer (20) hinein, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsvorrichtung (16) eine Brennstoffsprayführungseinrichtung (62) zum Führen des Brennstoffsprays (18) durch die Zerstäubungskammer (20) hindurch zum Zerstäubungskammerauslass (24) und durch diesen hindurch umfasst.
- 2. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzerstäubungseinrichtung (46) eine Brennstoffeinspritzdüse (48) umfasst.
- 3. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzdüse (48) in Form einer Druckzerstäuberdüse, einer Dralldüse oder einer Druckdralldüse ausgebildet ist.
- 4. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzerstäubungseinrichtung (46) ausgebildet ist zum Erzeugen eines Spraykegels (50), welcher einen Kegelwinkel (52) definiert.
- 5. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel (52) in einem Bereich von etwa 40° bis etwa 160° liegt, insbesondere in einem Bereich von etwa 60° bis etwa 100°.
- 6. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungskammer (20) einen sich ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass (22) im Querschnitt erweiternden Einlassbereich (26) aufweist.
- 7. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungskammer (20) einen sich ausgehend vom Zerstäubungskammerauslass (24) in Richtung auf den Zerstäubungskammereinlass (22) hin im Querschnitt erweiternden Auslassbereich (30) aufweist.
- 8. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungskammer (20) einen Verdampferbereich (28) aufweist, welcher sich an den Einlassbereich (26) und/oder an den Auslassbereich (30) anschließt.
- 9. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferbereich (28) einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser definiert.
- 10. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Einlassbereichs (26) ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass (22) stetig zunimmt, insbesondere linear oder quadratisch zunimmt.
- 11. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einlassbereich (26) ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass (22) konisch erweitert.
- 12. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassbereich (26) einen Konuswinkel (54) definiert, welcher kleiner ist als der Kegelwinkel des Spraykegels (50).
- 13. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel (54) in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 80° liegt, insbesondere in einem Bereich von etwa 40° bis etwa 60°.
- 14. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzerstäubungseinrichtung (46) ausgebildet ist zum Erzeugen eines Hohlkegel oder eines Vollkegels.
- 15. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendurchmesser des Zerstäubungskammereinlasses (22) größer ist als ein Innendurchmesser des Zerstäubungskammerauslasses (24).
- 16. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsvorrichtung (16) rotationssymmetrisch oder im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
- 17. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsvorrichtung (16) eine Längsachse (34) definiert und dass die Brennstoffzerstäubungseinrichtung (46) und die Zerstäubungskammer (20) koaxial zur Längsachse (34) angeordnet oder ausgebildet sind.
- 18. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffsprayführungseinrichtung (62) ausgebildet ist zum Verringern eines Querschnitts des Brennstoffsprays (18) ausgehend von der Brennstoffzerstäubungseinrichtung (46) in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass (24) hin.
- 19. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungskammer (20) eine Zerstäubungskammerwand (60) umfasst, welche einen Zerstäubungsraum (64) begrenzt.
- 20. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffsprayführungseinrichtung (62) eine Mehrzahl von Lufteinlässen (66) umfasst, welche in der Zerstäubungskammerwand (60) angeordnet oder ausgebildet sind.
- 21. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Lufteinlässen (66, 66a) Lufteinlasslängsachsen (68, 68a) definiert und dass die Lufteinlasslängsachsen (68, 68a) quer, insbesondere senkrecht, zur Längsachse verlaufen.
- 22. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteinlasslängsachsen (68, 68a) die Längsachse (34) schneiden oder windschief zur Längsachse (34) verlaufen.
- 23. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lufteinlass (66, 66a) eine Lufteinlasslängsachse (68, 68a) definiert, welche eine zur Längsachse (34) verlaufende Parallelkomponente und/oder eine zur Längsachse (34) senkrecht verlaufende Querkomponente aufweist.
- 24. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lufteinlass (66, 66a) eine Lufteinlasslängsachse (68, 68a) definiert, welche eine bezogen auf die Längsachse (34) in Umfangsrichtung verlaufende Umfangskomponente aufweist.
- 25. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteinlasslängsachsen (68, 68a) und die Längsachse (34) jeweils einen Neigungswinkel (70, 70a) einschließen und dass der Neigungswinkel (70, 70a) mit zunehmendem Abstand des jeweiligen Lufteinlasses vom Zerstäubungskammereinlass zunimmt.
- 26. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (70, 70a) in einem Bereich von etwa 10° bis etwa 90° liegt, insbesondere in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 80°.
- 27. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Lufteinlässen (66, 66a) einen Lufteinlassquerschnitt definiert und dass der Lufteinlassquerschnitt in Richtung auf den Zerstäubungsraum (64) hin konstant ist oder abnimmt und/ oder dass die Lufteinlassquerschnitte mit zunehmendem Abstand der Lufteinlässe (66, 66a) vom Zerstäubungskammereinlass (22) abnehmen.
- 28. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 7 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslassbereichsquerschnitt des Auslassbereichs (30) ausgehend vom Zerstäubungskammerauslass (24) in Richtung auf den Einlassbereich (26) hin linear oder nichtlinear zunimmt.
- 29. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 7 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Auslassbereich (30) und dem Verdampferbereich (28) oder zwischen dem Auslassbereich (30) und dem Einlassbereich (26) mindestens ein Querlufteinlass (74) vorgesehen ist, dessen Querlufteinlasslängsachse (76) eine senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (34) verlaufende Ebene (78) definiert.
- 30. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Querlufteinlass (74) zwischen dem Auslassbereich (30) und dem Verdampferbereich (28) oder zwischen dem Auslassbereich (30) dem Einlassbereich (26) vorgesehen ist.
- 31. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Querlufteinlass (74) eine Spaltbreite (38) definiert.
- 32. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 20 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Lufteinlässe (66, 66a) eine gemeinsame und quer zur Längsachse (34) verlaufende Lufteinlassebene (72, 72a) definieren und dass die Zerstäubungskammer (20) mehrere Lufteinlassebenen (72, 72a) definiert.
- 33. Zerstäubungsvorrichtung nach Satz 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zahl der die gemeinsame Lufteinlassebene (72, 72a) definierenden Lufteinlässe (66, 66a) mit zunehmendem Abstand der Lufteinlassebene (72, 72a) vom Zerstäubungskammereinlass (22) gleich bleibt oder zunimmt.
- 34. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Sätze 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Längsachse (34) enthaltende Ebene (80) und die Zerstäubungskammer (20) eine Schnittlinie (82) definieren und dass mehrere der Lufteinlässe (66,66a) ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass auf der Schnittlinie (82) liegen.
- 35. Brennkammer (14) für einen flüssigen Brennstoff mit mindestens einem Brennkammereinlass (44), welcher mit einem Zerstäubungskammerauslass (24) einer Zerstäubungsvorrichtung (16) zum Erzeugen eines Brennstoffsprays (18) eines flüssigen Brennstoffs fluidwirksam verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsvorrichtung (16) in Form einer Zerstäubungsvorrichtung (16) nach einem der voranstehenden Sätze ausgebildet ist.
- 36. Brennkammer nach Satz 35, gekennzeichnet durch zwei oder mehr Brennkammereinlässe (44), welche jeweils mit einer Zerstäubungsvorrichtung (16) fluidwirksam verbunden sind.
- 37. Brenner (12) für flüssige Brennstoffe mit einer Brennkammer (14) für einen flüssigen Brennstoff, welche Brennkammer (14) mindestens einen Brennkammereinlass (44) aufweist, welcher mit einem Zerstäubungskammerauslass (24) einer Zerstäubungsvorrichtung (16) zum Erzeugen eines Brennstoffsprays (18) eines flüssigen Brennstoffs fluidwirksam verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (14) in Form einer Brennkammer (14) nach Satz 35 oder 36 ausgebildet ist.
- 38. Gasturbine (10), insbesondere in Form einer Mikrogasturbine, umfassend mindestens einen Brenner (12) nach Satz 37.
- 39. Kraftwerk (10), insbesondere zum Erzeugen von Strom und/oder Wärme, umfassend mindestens einen Brenner (12) nach Satz 37.
- 40. Triebwerk (10), insbesondere für ein Luftfahrzeug, umfassend mindestens einen Brenner (12) nach Satz 37.
- 41. Heizanlage (10) zum Erzeugen von Wärme umfassend mindestens einen Brenner (12) nach Satz 37.
- 42. Verfahren zum Erzeugen eines Brennstoffsprays (18) aus einem flüssigen Brennstoff, bei welchem flüssiger Brennstoff in einer Zerstäubungskammer (20) oder durch einen Zerstäubungskammereinlass (22) der Zerstäubungskammer (20) in diese hinein zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffspray (18) durch die Zerstäubungskammer (20) hindurch zum Zerstäubungskammerauslass (24) und durch diesen hindurch geführt wird, ohne dass das Brennstoffspray (18) die Zerstäubungskammer (20) berührt.
- 43. Verfahren nach Satz 42, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Brennstoff mindestens ein flüssiger Kohlenwasserstoff ist oder mindestens einen flüssigen Kohlenwasserstoff enthält oder ein Biokraftstoff ist.
- 44. Verfahren nach Satz 43, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine flüssige Kohlenwasserstoff Kerosin, Diesel, Heizöl, Benzin, Alkohol oder ein Gemisch derselben ist.
- 45. Verwendung einer Zerstäubungsvorrichtung (16) nach einem der Sätze 1 bis 34 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Sätze 42 bis 44 zum Erzeugen eines Brennstoffsprays (18), insbesondere für einen Brenner (12) nach Satz 37.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Kraftwerks zum Erzeugen von Strom und/oder Wärme;
- 2: eine schematische Längsschnittansicht einer Zerstäubungsvorrichtung eines Brenners;
- 3: eine Teilansicht der Schnittansicht der Zerstäubungsvorrichtung aus 2;
- 4: eine Schnittansicht längs Linie 4-4 in 2;
- 5: eine schematische perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Zerstäubungsvorrichtung;
- 6: eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Zerstäubungsvorrichtung; und
- 7: eine schematische Längsschnittansicht der Zerstäubungsvorrichtung aus 6.
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In 1 ist eine Gasturbine 10 umfassend einen Brenner 12 mit einer Brennkammer 14 und einer Zerstäubungsvorrichtung 16 schematisch dargestellt.
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Prinzipiell können in ähnlicher Weise statt der Gasturbine 10 auch ein Kraftwerk, insbesondere zum Erzeugen von Strom und/oder Wärme, ein Triebwerk, insbesondere für ein Luftfahrzeug, eine Mikrogasturbine, insbesondere als Stromerzeuger („Range Extender“) in einem Kraftfahrzeug, oder eine Heizanlage zum Erzeugen von Wärme in der in 1 dargestellten Weise mit einem Brenner 12 ausgestattet werden.
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In den 2 bis 7 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele von Zerstäubungsvorrichtungen 16 zum Erzeugen eines Brennstoffsprays 18 aus einem flüssigen Brennstoff näher erläutert. Der Übersichtlichkeit wegen werden für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele dieselben Bezugszeichen für identische oder ähnliche Elemente der Zerstäubungsvorrichtung verwendet.
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2 zeigt schematisch eine Längsschnittansicht einer Zerstäubungsvorrichtung 16. Sie umfasst eine Zerstäubungskammer 20 mit einem Zerstäubungskammereinlass 22 und einem Zerstäubungskammerauslass 24.
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Die Zerstäubungskammer 20 umfasst drei Bereiche, nämlich einen Einlassbereich 26, einen sich daran anschließenden Verdampferbereich 28 und einen sich an den Verdampferbereich 28 anschließenden Auslassbereich 30.
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Der Einlassbereich 26 ist in Form eines Hohlkonus 32 ausgebildet, welcher sich vom Zerstäubungskammereinlass 22 in Richtung auf den Verdampferbereich 28 hin im Querschnitt stetig erweitert.
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Der Verdampferbereich 28 weist einen konstanten Querschnitt auf. Er kann sich optional auch ausgehend vom Einlassbereich 26 wieder konisch verjüngen, so dass der Einlassbereich 26 und der Verdampferbereich 28 im Längsschnitt eine im Wesentlichen rautenförmige Kontur definieren.
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Zwischen dem Verdampferbereich 28 und dem Auslassbereich 30 ist ein eine Längsachse 34 der rotationssymmetrisch ausgebildeten Zerstäubungsvorrichtung 16 konzentrisch umgebender Ringspalt mit einer Spaltbreite 38 parallel zur Längsachse 34 ausgebildet.
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Der Auslassbereich 30 ist in Form eines sich in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass 24 hin im Querschnitt verjüngenden Trichters 40 ausgebildet. Ausgehend vom Zerstäubungskammerauslass 24 kann der Trichter 40 einen Einführabschnitt 42 mit einem konstanten Innendurchmesser aufweisen, welcher durch einen Brennkammereinlass 44 in die Brennkammer 14 des Brenners 12 in Form eines Einlassstutzens hineinragt. Alternativ kann der Brennkammereinlass 44 auch bündig mit einer Wand der Brennkammer enden, beispielsweise in Form einer Stirnplatte, so dass kein in die Brennkammer 14 hineinragender Einlassstutzen definiert wird.
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Im Zerstäubungskammereinlass 22 beziehungsweise im Bereich desselben ist eine Brennstoffzerstäubungseinrichtung 46 angeordnet, die in Form einer Brennstoffeinspritzdüse 48 ausgebildet ist. Sie kann insbesondere in Form einer Druckzerstäuberdüse, einer Dralldüse oder einer Druckdralldüse ausgebildet sein.
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Die Brennstoffzerstäubungseinrichtung 46 ist ausgebildet zum Erzeugen eines Spraykegels 50, welcher einen Kegelwinkel 52 definiert. Der Spraykegel 50 kann insbesondere in Form eines Hohlkegels oder eines Vollkegels erzeugt werden.
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Der Kegelwinkel 52 kann abhängig von der gewählten Brennstoffzerstäubungseinrichtung 46 in einem Bereich von etwa 40° bis etwa 160° liegen, insbesondere in einem Bereich von etwa 60° bis etwa 100°. In 2 beträgt der Kegelwinkel etwa 50°.
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Der Einlassbereich 26 definiert einen Konuswinkel 54, welcher kleiner ist als der Kegelwinkel 52 des Spraykegels 50.
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Der Konuswinkel 54 liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 20° bis etwa 80°. Insbesondere kann er in einem Bereich von etwa 40° bis etwa 60° liegen. Der Konuswinkel 52 der in 2 schematisch dargestellten Zerstäubungsvorrichtung 16 beträgt etwa 35°.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Zerstäubungsvorrichtung 16 ist ein Innendurchmesser des Zerstäubungskammereinlasses 22 größer als ein Innendurchmesser des Zerstäubungskammerauslasses 44. Das muss jedoch nicht zwingend der Fall. Optional kann die Brennstoffeinspritzdüse 48 auch im Durchmesser kleiner ausgebildet werden, so dass sie in einen Zerstäubungskammereinlass 22 eingesetzt werden kann, welcher im Innendurchmesser gleich oder kleiner als der Zerstäubungskammerauslass 24 ist, ohne innere Teile der Zerstäubungsvorrichtung 16 und deren Funktion zu beeinträchtigen. Ferner kann bei größeren Leistungen und Luftmengen der Zerstäubungskammerauslass 24 der Zerstäubungsvorrichtung 16 auch größer als der Zerstäubungskammereinlass 22 ausgebildet werden, ohne dass sich die Größe der Brennstoffeinspritzdüse 48 ändert.
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Die Brennstoffzerstäubungseinrichtung 46 ist koaxial zur Längsachse 34 angeordnet und ausgebildet, so dass der Spraykegel 50 ebenfalls rotationssymmetrisch bezogen auf die Längsachse 34 erzeugt wird.
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Der in die Zerstäubungskammer 20 eingespritzte Brennstoff verteilt sich in feine Brennstofftröpfchen 56, die mit der in der Zerstäubungskammer 20 enthaltenen Luft als Trägermedium das Brennstoffspray 18 bilden. Da der Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit mit der Brennstoffzerstäubungseinrichtung 46 in die Zerstäubungskammer 20 eingespritzt wird, bewegt sich das Brennstoffspray 18 mit hoher Geschwindigkeit in Richtung auf den Auslassbereich 30 hin.
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Da der Kegelwinkel 52 größer ist als der Konuswinkel 54, würde das Brennstoffspray 18 auf eine Innenwandfläche 58 einer die Zerstäubungskammer 20 ausbildenden Zerstäubungskammerwand 60 auftreffen. Um dies zu verhindern ist eine Brennstoffsprayführungseinrichtung 62 vorgesehen zum Führen des Brennstoffsprays 18 durch die Zerstäubungskammer 20 hindurch zum Zerstäubungskammerauslass 24 und durch diesen hindurch.
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Die Brennstoffsprayführungseinrichtung 62 ist insbesondere ausgebildet zum Verringern eines Querschnitts des Brennstoffsprays 18 bezogen auf die Längsachse 34 ausgehend von der Brennstoffzerstäubungseinrichtung 46 in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass 24 hin.
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Die Zerstäubungskammer 20 definiert im Inneren einen Zerstäubungsraum 64, der durch die Innenwandfläche 58 begrenzt ist.
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Die Brennstoffsprayführungseinrichtung 62 umfasst eine Mehrzahl von Lufteinlässen 66, welche in der Zerstäubungskammerwand 60, und zwar insbesondere im Einlassbereich 26, angeordnet oder ausgebildet sind. Es kann sich bei den Lufteinlässen 66 insbesondere um einfache Bohrungen oder aber auch um in die Zerstäubungskammerwand 60 eingesetzte Lufteinlassdüsen handeln.
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Jeder Lufteinlass 66 definiert eine Lufteinlasslängsachse 68, welche quer zur Längsachse 34 verläuft. Die Lufteinlasslängsachsen 68 können die Längsachse 34 entweder schneiden oder windschief zu dieser verlaufen. Jede Lufteinlasslängsachse 68 und die Längsachse 34 schließen einen Neigungswinkel 70 ein.
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Bei dem in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Zerstäubungsvorrichtung 16 sind jeweils zehn Lufteinlässe 66 gleichmäßig über einen Umfang des Einlassbereichs 26 verteilt angeordnet beziehungsweise ausgebildet und definieren jeweils eine gemeinsame Lufteinlassebene 72.
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Die in den 2 bis 5 dargestellte Zerstäubungsvorrichtung 66 umfasst vierzig Lufteinlässe 66, wobei jeweils zehn Lufteinlässe 66 eine gemeinsame Lufteinlassebene 72 definieren. Die insgesamt vier Lufteinlassebenen 72 sind äquidistant zueinander angeordnet und verlaufen senkrecht zur Längsachse 34. Die Neigungswinkel 70 der Lufteinlässe 66 sind identisch.
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Ferner sind im Einlassbereich 26 vierzig weitere Lufteinlässe 66a angeordnet beziehungsweise ausgebildet, die Lufteinlasslängsachsen 68a definieren, die mit der Längsachse 34 einen Neigungswinkel 70a einschließen. Auch hier definieren wiederum zehn gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Lufteinlässe 66a eine gemeinsame Lufteinlassebene 72a. So werden insgesamt vier Lufteinlassebenen72a definiert, die wiederum äquidistant relativ zueinander angeordnet sein können.
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Der Neigungswinkel 70 beträgt etwa 28 Grad, der Neigungswinkel 70a beträgt etwa 75 Grad.
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Der Ringspalt 36 definiert einen Querlufteinlass 74, welcher eine Querlufteinlasslängsachse 76 definiert, welche senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 34 verläuft. Sie definiert so eine Lufteinlassebene 78, die senkrecht zur Längsachse 34 verläuft.
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Die Lufteinlässe 66 beziehungsweise 66a definieren einen Lufteinlassquerschnitt bezogen auf die jeweilige Lufteinlasslängsachse 68 beziehungsweise 68a. Der so definierte Lufteinlassquerschnitt kann in Richtung auf den Zerstäubungsraum 64 konstant sein oder abnehmen.
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Ferner können die so definierten Lufteinlassquerschnitte mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Lufteinlässe 66 beziehungsweise 66a vom Zerstäubungskammereinlass 22 abnehmen. Selbstverständlich können sie auch gleich groß bleiben, wie dies bei dem in den 2 bis 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel der Zerstäubungsvorrichtung 16 der Fall ist.
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Eine die Längsachse 34 enthaltende Ebene 80 und die Zerstäubungskammer 20 definieren eine Schnittlinie 82, wobei, wie in 5 gut zu erkennen, jeweils mehrere Lufteinlässe 66, 66a ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass 22 auf dieser Schnittlinie 82 liegen. Bei dem in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Zerstäubungsvorrichtung 16 sind zehn solcher Schnittlinien 82 definiert, auf denen jeweils vier Lufteinlässe 66 und vier Lufteinlässe 66a angeordnet sind.
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Die Brennstoffsprayführungseinrichtung 62 ermöglicht es insbesondere, dass Luft als Trägermedium für den Brennstoff in die Zerstäubungskammer 20 durch die Lufteinlässe 66 und 66a einströmen kann und aufgrund des sich in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass 24 hin bewegenden Brennstoffsprays 18 mitgerissen beziehungsweise eingesaugt wird. Die einströmende Luft bildet eine das Brennstoffspray 18 umgebende Luftschicht 86, die verhindert, dass Brennstofftröpfchen 56 auf die Innenwandflächen 58 auftreffen können.
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Dadurch, dass die Lufteinlasslängsachsen 68 und 68a quer zur Längsachse 34 verlaufen, werden die Brennstofftröpfchen 56 durch die einströmende Luft 84 in Richtung auf die Längsachse 34 und in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass 24 hin gedrängt.
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Optional können sich auch die Lufteinlasslängsachsen 68 beziehungsweise 68a jeweils benachbarter Lufteinlässe 66 beziehungsweise 66a mit ihrem jeweiligen Neigungswinkel 70 beziehungsweise 70a unterscheiden, so dass also der jeweilige Neigungswinkel 70 beziehungsweise 70a für jede Lufteinlassebene 72 beziehungsweise 72a anders ist, insbesondere sukzessive ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass 22 in Richtung auf den Zerstäubungskammerauslass 24 hin zunimmt.
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Im Verdampferbereich können die Brennstofftröpfchen 56 teilweise verdampfen.
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In den 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zerstäubungsvorrichtung 16 schematisch dargestellt. Sie stimmt ihrem grundsätzlichen Aufbau mit der in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Zerstäubungsvorrichtung 16 überein.
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Im Einlassbereich weist sie eine Mehrzahl von Lufteinlässen 66 und 66a auf, wobei insgesamt zwei Lufteinlassebenen 72 von den Lufteinlässen 66 und drei Lufteinlassebenen 72a von den Lufteinlässen 66a definiert werden. Die Lufteinlässe 66 und 66a sind im Querschnitt identisch, können jedoch auch variieren derart, dass die Lufteinlässe 66a einen kleineren Querschnitt aufweisen als die Lufteinlässe 66.
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Ausgehend vom Zerstäubungskammereinlass 22 werden die ersten beiden Lufteinlassebenen 72 durch jeweils zwölf Lufteinlässe 66 in Form von Bohrungen definiert, die beiden nachfolgenden Lufteinlassebenen 72a umfassen jeweils 18 Lufteinlässe 66 beziehungsweise 66a. Die den Querlufteinlass 74 benachbarte Lufteinlassebene 72a wird durch 24 Lufteinlässe 66a definiert.
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Einige Abmessungen des in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiels einer Zerstäubungsvorrichtung 16 sind nachfolgend beispielhaft angegeben.
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Eine Länge 88 des Verdampferbereichs 28 parallel zur Längsachse 34 beträgt 3 mm. Die Spaltbreite 38 beträgt 0,9 mm. Ein Radius 90 einer sich verjüngenden Innenwandfläche 58 des Auslassbereichs 30 beträgt 10 mm.
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Der Zerstäubungskammereinlass 22 weist einen Innendurchmesser von 23 mm auf, der Zerstäubungskammerauslass 24 einen Durchmesser von 6 mm.
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Die beschriebenen Zerstäubungsvorrichtungen 16 können praktisch in einer beliebigen Zahl fluidwirksam mit Brennkammereinlässen 44 einer Brennkammer 14 verbunden werden, um durch einen oder mehrere Brennkammereinlässe 44 Brennstoffsprays 18 in die Brennkammer 14 einzuleiten.
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In der beschriebenen Weise kann also ein Brennstoffspray 18 aus einem flüssigen Brennstoff erzeugt werden, bei welchem der flüssige Brennstoff in der Zerstäubungskammer 20 oder durch den Zerstäubungskammereinlass 22 der Zerstäubungskammer 20 in diese hinein zerstäubt wird, wobei das Brennstoffspray 18 durch die Zerstäubungskammer 20 hindurch zum Zerstäubungskammerauslass 24 und durch diesen hindurch geführt wird, ohne dass das Brennstoffspray 18 die Zerstäubungskammer 20 berührt. Auf diese Weise kann das Brennstoffspray 18 in die Brennkammer 14 in gewünschter Weise eingedüst werden, ohne das Brennstofftröpfchen 56 mit der Innenwandfläche der Zerstäubungskammer 20 oder einer Innenwandfläche der Brennkammer 14 in Kontakt treten.
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Als Brennstoffe können insbesondere Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Kerosine, Diesel, Heizöl, Benzine, sowie Alkohole eingesetzt werden. Auch Biobrennstoffe oder künstliche Brennstoffe können eingesetzt werden, insbesondere Pflanzenöl, Rapsöl, Palmöl, Methyl-tert-butylether (MTBE) oder Pyrolyseöl.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 12
- Brenner
- 14
- Brennkammer
- 16
- Zerstäubungsvorrichtung
- 18
- Brennstoffspray
- 20
- Zerstäubungskammer
- 22
- Zerstäubungskammereinlass
- 24
- Zerstäubungskammerauslass
- 26
- Einlassbereich
- 28
- Verdampferbereich
- 30
- Auslassbereich
- 32
- Hohlkonus
- 34
- Längsachse
- 36
- Ringspalt
- 38
- Spaltbreite
- 40
- Trichter
- 42
- Einführabschnitt
- 44
- Brennkammereinlass
- 46
- Brennstoffzerstäubungseinrichtung
- 48
- Brennstoffeinspritzdüse
- 50
- Spraykegel
- 52
- Kegelwinkel
- 54
- Konuswinkel
- 56
- Brennstofftröpfchen
- 58
- Innenwandfläche
- 60
- Zerstäubungskammerwand
- 62
- Brennstoffsprayführungseinrichtung
- 64
- Zerstäubungsraum
- 66, 66a
- Lufteinlass
- 68, 68a
- Lufteinlasslängsachse
- 70, 70a
- Neigungswinkel
- 72, 72a
- Lufteinlassebene
- 74
- Querlufteinlass
- 76
- Querlufteinlasslängsachse
- 78
- Lufteinlassebene
- 80
- Ebene
- 82
- Schnittlinie
- 84
- Luft
- 86
- Luftschicht
- 88
- Länge
- 90
- Radius
