DE19536837A1

DE19536837A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien

Info

Publication number: DE19536837A1
Application number: DE19536837A
Authority: DE
Inventors: Adnan Dr Eroglu; Hans Peter Knoepfel; Peter Dr Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1995-10-02
Filing date: 1995-10-02
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: US5813847A; DE19536837B4; GB2306002A; JPH09112825A; GB2306002B; GB9616461D0

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien, im wesentli chen bestehend aus einem zylindrischen Hohlkörper mit minde stens einem Brennstoffzuführkanal und Mitteln zum Einführen komprimierter Zerstäubungsluft. Die Erfindung betrifft eben falls ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Stand der Technik

Derartige Vorrichtungen und Verfahren zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien sind bekannt. Der Impuls der komprimierten Zerstäubungsluft wird zur Zer stäubung von flüssigen Brennstoffen in die komprimierten gas förmigen Medien verwendet. Ein Problem solcher Einspritzvor richtungen stellt der relativ hohe Luftverbrauch an Zerstäu bungsluft dar, der zur Zerstäubung gebraucht wird. Weiter müssen sehr feine Tropfen erzeugt werden, da die Schadstoffe mission mit der Tropfengröße zunimmt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrich tung und einem Verfahren zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien der eingangs genannten Art den Brennstoff fein zu zerstäuben und die Schadstoffemission zu senken.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß im Innern des Hohlkörpers eine Drallkammer angeordnet ist, welche über mindestens eine Einlaßöffnung mit dem Brennstoffzuführkanal verbunden ist, daß sich der Querschnitt der Drallkammer in Strömungsrichtung der durch das Innere des Hohlkörpers gelei teten Zerstäubungsluft verengt, wodurch ein Konus gebildet wird und daß stromaufwärts der Drallkammer eine Trennwand zwischen dem Brennstoff in der Drallkammer und der Zerstäu bungsluft angeordnet ist, welche sich stromabwärts mindestens bis zur Mitte der Einlaßöffnungen erstreckt.

Ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zeichnet sich da durch aus, daß einer Drallkammer Brennstoff aus Einlaßöff nungen zugeführt wird, wodurch beim Eindüsen des Brennstoffes in die Drallkammer eine verdrallte Brennstoffströmung ent steht, daß die Zerstäubungsluft durch das Zentrum der Drall kammer gefördert wird, welche sich in Strömungsrichtung der Zerstäubungsluft unter Bildung eines Konuses verengt, daß der Brennstoff zu einer Zerstäubungskante gelangt, durch die der Brennstoffilm in Tropfen aufbricht und daß durch die Zerstäubungsluft zusätzliche Scherkräfte auf den Brennstof film aufgebracht und die Aufspaltung des Brennstoffes in Tropfen unterstützt wird.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die Einspritzdüse einfach und robust konstruiert ist.

Der Verbrauch an Zerstäubungsluft einer solchen Einspritzvor richtung ist zudem sehr gering. Durch die Zerstäubungsluft im Innern des Hohlkörpers wird die Aufenthaltszeit sowie die Re zirkulation des Brennstoffes in der Drallkammer erheblich re duziert. Dies ist besonders vorteilhaft um Selbstentzündungen bei hohem Druck des Brennstoffes zu vermeiden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn im Konus der Drallkammer Turbulenzkammern eingearbeitet werden. Durch die verdrallte Strömung in der Drallkammer entstehen in diesen Turbulenzkam mern longitudinale Wirbel, die die Turbulenz des Brennstof filmes an der Zerstäubungskante erhöhen. Dadurch kann eine sehr feine Zerstäubung erzielt werden.

Weiter ist es zweckmäßig, die Zerstäubungsluft mit Über schallgeschwindigkeit durch das Innere der Drallkammer zu leiten, da die Schockwellen der Überschallströmung und die damit erzeugten Stöße die Zerstäubung des Brennstoffes un terstützen. Wird die Trennwand im Innern des Hohlkörpers als Lavaldüse ausgebildet, werden zusätzliche hochfrequente Os zillationen der Schockwellen erzeugt und die Zerstäubung wei ter verbessert.

Eine radiale Anordnung der Einspritzvorrichtungen in einem Düsenkopf ist besonders vorteilhaft. Die Einspritzung des Brennstoffes erfolgt dadurch senkrecht zur Verbrennungsluft, wodurch die Eindringtiefe des Brennstoffes erhöht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Düse gemäß Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch die Düse entsprechend Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt einer Brennkammer;

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch einen Düsenkopf mit radial angeordneten Düsen;

Fig. 5 einen Teillängsschnitt einer Düse mit Turbulenzkam mern;

Fig. 6 einen Teilquerschnitt durch die Düse entsprechend Linie V-V in Fig. 5;

Fig. 7 einen Teillängsschnitt einer Düse für Überschall strömung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 und 2 ist eine im wesentlichen als zylindrischer Hohlkörper 24 ausgebildete Brennstoffeinspritzvorrichtung 10, im folgenden Düse genannt, mit innenliegender Drallkammer 1 dargestellt. Der Innendurchmesser der Drallkammer 1 wird je weils leistungsabhängig ausgelegt.

Über einen ringförmigen Brennstoffzuführkanal 2 und mehrere Einlaßöffnungen 6 wird flüssiger Brennstoff 4 in die Drall kammer 1 eingeleitet.

Die Einlaßöffnungen 6 sind mit einem Winkel 7 gegenüber der Achse zwischen der Einlaßöffnung 6 und dem Zentrum des Hohl körpers 24 angestellt. Der Winkel 7 kann dabei zwischen null bis gegen neunzig Grad liegen, er wird jedoch vorzugsweise spitz gewählt. Die Einlaßöffnungen 6 sind zudem mit einem Versatz 25, zwischen einer Mittellinie 26 durch die Ein laßöffnung 6 und einer dazu parallelen Zentrumslinie 27 durch das Zentrum der Drallkammer 1, gegenüber dem Zentrum der Drallkammer 1 versetzt. Der Winkel 7 und der Versatz 25 werden jeweils so gewählt, daß beim Eindüsen des Brennstof fes 4 in die Drallkammer 1 eine verdrallte Brennstoffströmung 3 entsteht. Durch das Zentrum des Hohlkörpers 24 wird Zer stäubungsluft 5, im folgenden nur noch Luft genannt, mit ho hem Druck in Pfeilrichtung gefördert. Die Drallkammer 1 ist so ausgebildet, daß sich ihr Querschnitt in Strömungsrich tung der Luft 5 verengt, wodurch ein Konus 8 gebildet wird. Der Anstellwinkel 28 des Konuses 8 liegt zwischen fünfzehn und fünfundsiebzig Grad (15° Anstellwinkel 28 75°).

Im Konus 8 werden die durch die Einlaßöffnungen 6 einströ menden Brennstoffströme vereinigt und beschleunigt. Die ver drallte Brennstoffströmung 3 beginnt in der Drallkammer 1 in Strömungsrichtung der Luft 5 zu strömen. Der Brennstoff ge langt dann zu einer Zerstäubungskante 9, durch die der Brenn stoffilm in Tropfen aufbricht. Durch die das Zentrum des Hohlkörpers 24 durchströmende Luft 5 werden zusätzliche Scherkräfte auf den Brennstoffilm aufgebracht und die Auf spaltung des Brennstoffes in Tropfen unterstützt. Weiter füllt die Luft die zentrale Zone der Düse 10 aus, wodurch die Rezirkulation und die lange Aufenthaltszeit des Brennstoffes in der Drallkammer 1 und insbesondere im Konus 8 drastisch reduziert wird. Stromaufwärts der Drallkammer 1 ist eine Trennwand 20 zwischen Brennstoff und Luft 5 angeordnet. Die Trennwand 20 reicht stromabwärts mindestens bis zur Mitte der Einlaßöffnungen 6 und maximal bis zu dreimal den Durchmesser der Einlaßöffnungen über die Einlaßöffnungen 6 hinaus. Durch die Trennwand 20 kann sich der Brennstoffilm in der Drallkammer 1 ohne Einfluß des Luftstromes 5 entwickeln.

Die Luft 5 kann mit Unterschall- oder Überschallgeschwindig keit durch das Zentrum der Drallkammer 1 geleitet werden. Bei Anwendung einer Überschallströmung wird jedoch ein zusätzli cher Verdichter für die Luft 5 benötigt. Die Stöße der Schockwellen der Überschallströmung unterstützen die Zer stäubung des Brennstoffilmes an der Zerstäubungskante.

In Fig. 3 ist die Verwendung der Düse 10 in einem Brenner 11 einer Gasturbine dargestellt. Ein ummanteltes Plenum 12, wel ches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdich ter geförderte Verbrennungsluft 19 aufnimmt, führt die Ver brennungsluft einer Brennkammer 15 zu. Es kann sich dabei um eine Einzelbrennkammer oder eine Ringbrennkammer handeln.

Am Kopfende der Brennkammer, die durch eine Frontplatte 13 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 14 aufgesetzt. In die sem Dom ist der Brenner 11 so angeordnet, daß der Brenner austritt zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 13. Über die an ihrem äußeren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft 19 aus dem Plenum 12 in das Dom innere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 17 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt. Am Ende der Brenn stofflanze, im Innern des Brenners 11, ist nun die Düse 10 angeordnet. Über die doppelwandig ausgeführte Brennstofflan ze 17 wird der Düse 10 Brennstoff 4 und Luft 5 zugeführt. Die Luft 5 wird in der Regel am Austritt des Verdichters von der Verbrennungsluft abgezweigt, oder kann anders als in der Fig. 3 dargestellt direkt aus dem Plenum 12 entnommen werden.

Beim schematisch dargestellten Vormischbrenner 11 handelt es sich um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er bei spielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Er besteht im wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen der beiden Teilkörper gegen einander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 18 für die Verbrennungsluft 19, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt.

Der Brenner kann natürlich auch mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 18 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längs richtung verteilte Gaseinströmöffnungen in Form von Düsen vorgesehen. Diese Düsen können mit speziellen Leitungen oder mittels der Brennstofflanze 17 versorgt werden. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 19 be reits in der Zone der Schlitze 18.

Am Brenneraustritt des Brenners 11 stellt sich jeweils eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beauf schlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulati onszone 16, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone 16 vor dem Brenner 11 stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu be nötigen.

In Fig. 4 sind Düsen 10 radial in einem Düsenkopf 30 angeord net. Die Anzahl der Düsen 10 pro Düsenkopf 30 muß jeweils den entsprechenden Anforderungen angepaßt werden. Der Brenn stoff wird durch die radiale Anordnung der Düsen 10 normal zur Verbrennungsluft 19 eingedüst, wodurch die Eindringtiefe der Brennstofftropfen in die Verbrennungsluft erhöht wird. Der Zuführkanal 2 steht bei dieser Anordnung der Düsen 10 senkrecht zur Eindüsungsrichtung des Brennstoffes. Der Brenn stoff wird deshalb ringförmig um die Düsen 10 herumgeführt.

Wird die Luft 5 mit Überschallgeschwindigkeit durch die Dü sen 10 geleitet, wird die Eindringtiefe der Brennstofftropfen in die Verbrennungsluft weiter erhöht.

In Fig. 5 und 6 sind im Bereich des Konuses 8 der Drallkammer 1 der Düse 10 kleine, in Strömungsrichtung verlaufende Ver tiefungen 22 eingearbeitet, die als Turbulenzkammern dienen.

In diesen Turbulenzkammern 22 entstehen durch die verdrallte Strömung 3 longitudinale Wirbel 23. Diese Wirbel 23 erhöhen die Turbulenz des Brennstoffilmes an der Zerstäubungskante 9 und verkleinern die Größe der durch die Düse gebildeten Brennstofftropfen.

In Fig. 7 ist die Trennwand 20 als Einsatzrohr 21 ausgestal tet, was die Herstellung der Düse 10 erheblich vereinfacht. Soll die Luft 5 mit Überschallgeschwindigkeit durch daß Zentrum der Drallkammer 5 geleitet werden, ist es von Vorteil die Trennwand 20 oder das Einsatzrohr 21 als Laval-Düse aus zuformen. Die Lavaldüse dient bei genügendem Druck der Luft 5 zur Erzeugung der Überschallströmung. Weiter entstehen durch die Lavaldüse zusätzliche hochfrequente Oszillationen der Schockwellen, wodurch sehr feine Brennstofftröpfchen erzeugt werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Ausge staltung der Düse bei Verwendung einer Überschallströmung mit innenliegender Lavaldüse ist natürlich unabhängig von der Verwendung eines Einsatzrohres. Es kann auch die integralen Ausbildung der Düse entsprechend Fig. 1 verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1 Drallkammer
2 Brennstoffzuführkanal
3 verdrallte Brennstoffströmung
4 Brennstoff
5 Zerstäubungsluft
6 Einlaßöffnung
7 Einlaßwinkel
8 Konus
9 Zerstäubungskante
10 Brennstoffeinspritzvorrichtung (Düse)
11 Vormischbrenner
12 Plenum
13 Frontplatte
14 Dom
15 Brennkammer
16 Rezirkulationszone
17 Brennstofflanze
18 tangentiale Schlitze
19 Verbrennungsluft
20 Trennwand
21 Einsatzrohr
22 Turbulenzkammer
23 Wirbel
24 Hohlkörper
25 Versatz
26 Mittellinie
27 Zentrumslinie
28 Anstellwinkel
30 Düsenkopf

Claims

1. Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoffen (4) in kom primierte gasförmige Medien, im wesentlichen bestehend aus einem zylindrischen Hohlkörper (24) mit mindestens einem Brennstoffzuführkanal (2) und Mitteln zum Einfüh ren komprimierter Zerstäubungsluft (5), dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Hohlkörpers (24) eine Drallkammer (1) angeordnet ist, welche über mindestens eine Einlaßöff nung (6) mit dem Brennstoffzuführkanal (2) verbunden ist, daß sich der Querschnitt der Drallkammer (1) in Strömungsrichtung der durch das Innere des Hohlkörpers (24) geleiteten Zerstäubungsluft verengt, wodurch ein Konus (8) gebildet wird und daß stromaufwärts der Drallkammer (1) eine Trennwand (20) zwischen dem Brenn stoff in der Drallkammer (1) und der Zerstäubungsluft (5) angeordnet ist, welche sich stromabwärts mindestens bis zur Mitte der Einlaßöffnungen (6) erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Konuses (8) der Drallkammer (1) in Strömungsrichtung verlaufende Vertiefungen (22) eingear beitet sind, die als Turbulenzkammern dienen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (20) im Innern des Hohlkörpers (24) als Lavaldüse ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen radial in einem Düsenkopf (30) angeordnet sind.

5. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch l, wobei die Zerstäubung des Brennstoffes (4) mittels kom primierter Zerstäubungsluft (5) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß einer Drallkammer (1) Brennstoff (4) aus Ein laßöffnungen (6) zugeführt wird, wodurch beim Eindüsen des Brennstoffes (4) in die Drallkammer (1) eine ver drallte Brennstoffströmung (3) entsteht, daß die Zer stäubungsluft (5) durch das Zentrum der Drallkammer (1) gefördert wird, welche sich in Strömungsrichtung der Zerstäubungsluft (5) unter Bildung eines Konuses (8) verengt, daß der Brennstoff zu einer Zerstäubungskante (9) gelangt, durch die der Brennstoffilm in Tropfen auf bricht und daß durch die Zerstäubungsluft (5) zusätzli che Scherkräfte auf den Brennstoffilm aufgebracht und die Aufspaltung des Brennstoffes in Tropfen unterstützt wird.

6. Verfahren zur Brennstoffeinspritzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsluft (5) mit Überschallgeschwin digkeit durch die Drallkammer (1) geleitet wird und daß die Schockwellen der Überschallströmung die Zerstäubung des Brennstoffes (4) unterstützen.

7. Verfahren zur Brennstoffeinspritzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsluft (5) in einer Lavaldüse (21) auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.

8. Verfahren zur Brennstoffeinspritzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Düsenkopf (30) mehrere Vorrichtungen radi al angeordnet sind, wobei der Brennstoff (4) im wesent lichen senkrecht zur Verbrennungsluft (19) eingespritzt wird.