DE3724234C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in Gasturbinen für stationäre Gleichdruckverbrennung vorgesehene und als Ringdüse ausgebildete Kraftstoffdüse mit Luftunterstützung.

Eine derartige Kraftstoffdüse als luftgestützter Direktzerstäuber ist aus der 1980 erschienenen Druckschrift "The Design and Development of Gas Turbine Combustors", Volume I Component Theory and Practice, Northern Research and Engineering Corporation, Woburn, Massachusetts, U.S.A., Seite 6.65, Fig. 6.19 - Airblast Atomizer - Pintle Type, bekannt.

In dieser Kraftstoffdüse wird im inneren Luftkanal ein Flüssigkeitsfilm gebildet, von einem Luftstrom zur ringförmigen Zerstäubungskante am Außenkörper der Düse getrieben und dort unter Mitwirkung eines zweiten Luftstromes zerstäubt. Die luftgestützte Kraftstoffdüse ermöglicht eine gezielte Beeinflussung der räumlichen Brennstoffverteilung und eine gute Regelbarkeit, da die Zerstäubungsgüte nicht mehr wie bei Druckzerstäubern vom Flüssigkeitsdurchsatz abhängt.

Begrenzend wirken sich bei diesem Zerstäubertyp die Stabilitätsgrenzen des Flüssigkeitsfilms aus, der sich bei zu kleinen Durchsätzen in Strähnen auflöst und bei zu großen Volumenströmen schon vor der Zerstäubungskante Tropfen absondert. Außerdem ist eine Benetzung der gegenüberliegenden Wand kaum zu vermeiden, die zu unkontrollierbaren Vorgängen wie Pfropfenströmung im Luftkanal und Abtropfen von der nicht vollständig von Luft umspülten Außenwand zur Folge hat. Außerdem verhindert die Trägheit des Flüssigkeitsfilms einen Einsatz im echt instationären Betrieb, wie er bei der motorischen Verbrennung gefordert wird.

Es gilt, die geschilderten Nachteile zu beseitigen und an einer luftgestützten Kraftstoffdüse einfache konstruktive Maßnahmen zu treffen, durch die auch bei Änderung des Kraftstoffdurchsatzes eine gleichbleibend gute Zerstäubung erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch die Herausnahme des Flüssigkeitsfilms aus dem Luftkanal lassen sich extrem enge Luftspalten (bis unter 0,15 mm) verwirklichen, die entsprechend kleine Flächenbelastungen und Luftverbräuche erlauben. Somit brauchen die seither schwer in den Griff zu bekommenden Stabilitätsgrenzen des Flüssigkeitsfilms nicht mehr eingehalten zu werden. Die Kraftstoffdüse eignet sich deshalb insbesondere bei kleinen Flächenbelastungen für eine gleichbleibend gute Zerstäubung bei verringertem Luftverbrauch und Druckverlust und gleichzeitig verbesserter Regelbarkeit des Kraftstoffdurchsatzes.

Aus der DE-AS 27 57 522 ist eine luftunterstützte Zerstäubungsdüse bekannt, die auch zwei Luftkanäle sowie eine zwischen diesen Kanälen angeordnete Kraftstoffzuführung aufweist, bei der aber durch die in verschiedenen Ebenen liegenden Austrittsöffnungen der äußere Luftstrom auf eine Kanalseite des den Kraftstoff führenden Kanals tritt und somit keine Zerstäubung des Kraftstoffes, sondern nur ein Vorantreiben des Kraftstoffilms zur Abreißkante erreicht wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kanäle und deren Anordnung wird bewirkt, daß der Kraftstoff optimal zerstäubt und die Stirnseite der Düse dadurch sauber gehalten wird, daß in dem sich ausbildenden Dreieck am Kanalaustritt zwischen Kraftstoff- und Luftstrahl ein sogenanntes Totwassergebiet auftritt, in welchem die Luft zirkuliert.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen angegeben.

Um den Druckverlust der Luftströmung zu reduzieren und ein feineres Tropfenspektrum zu erzeugen, ist die Luftströmung erst am Düsenaustritt bzw. an der Zerstäubungskante durch eine konvergente Kanalkontur auf ihre Endgeschwindigkeit zu beschleunigen (Anspruch 2). Ist der Winkel zwischen den äußeren Luftkanalwänden groß genug, so wird zusätzlich eine Einschnürung der Strömung hinter dem Kanalaustritt in der Nähe des Zerfallpunktes hervorgerufen, wodurch eine weitere Verringerung des effektiven Strömungsquerschnittes noch unter den Wert der konstruktiv vorgegebenen Austrittsspalte möglich ist.

Durch eine Verdrallung der Zerstäubungsluft wird die Axialkomponente der Luftgeschwindigkeit und damit der Volumenstrom nochmals verringert und gleichzeitig werden die Scherkräfte am Düsenaustritt zugunsten einer besseren Zerstäubung verstärkt (Ansprüche 3 und 4). Werden die tangential zugeführten Luftströme gegensinnig verdrallt, ergibt sich eine weitere Verbesserung der Zerstäubungsgüte.

Die im Düsenendbereich den Kraftstoffdurchlaß bestimmenden Bohrungen (Anspruch 5) können in ihrer Anzahl variierbar sein, das bedeutet, daß zur Bereichserweiterung Gruppenschaltungen bestimmter Bohrungen durch externe Vorgaben oder mittels einer internen Selbstregelung, z.B. über den Flüssigkeitsvordruck, möglich sind.

Zum Ausgleich von Störeinflüssen kann eine gezielte Vordrosselung der Flüssigkeit vorgesehen sein (Anspruch 6).

Die Kraftstoffdüse kann je nach Verwendungszwecke auch als Flachdüse ausgebildet sein.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung veran­ schaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine als Ringdüse ausgebildete luftgestützte Kraftstoffdüse im Längsschnitt

Fig. 2 die Ringdüse in Ansicht mit Teilschnitten

Fig. 3 die Ringdüse mit verschiedenen Ausgestaltungen in der oberen und unteren Hälfte und

Fig. 4 die Kraftstoffdüse als Flachdüse mit ver­ schiedenen Ausgestaltungen in der linken und rechten Hälfte.

Eine luftgestützte Kraftstoffdüse 1 in der Ausführung als direktzerstäubende Ringdüse gemäß Fig. 1, 2 und 3 besteht aus einem gehäuseartigen Außenkörper 2 bzw. Düsenkörper, einem zentral liegenden zylindrischen Innenkörper 3 mit einem sich zur Brennraumseite hin er­ weiternden kegelförmigen Endstück 4 sowie einem zwischen Außenkörper 2 und Innenkörper 3 angeordneten Ringkörper 5.

Die Ringdüse 1 enthält einen inneren und äußeren Luft­ kanal 6, 7 mit dazwischenliegender Kraftstoffzuführung 8. Der Außenkörper 2 weist eine mehrstufig ausgebildete Ausnehmung 9 auf, in deren mittlerem Ausnehmungsabschnitt 9a der Ringkörper 5 eingepaßt ist, dessen Innenwand 10 mit dem Innenkörper 3 den inneren Luftkanal 6 und dessen Außenwand 11 mit der Wand 12 des düsenaustrittsseitigen Ausnehmungsabschnittes 9b den äußeren Luftkanal 7 bildet. Der an dem Bodenteil 13 des Außenkörpers 2 endende Aus­ nehmungsabschnitt 9c ist mit seiner Wand 14 bündig zur Innenwand 10 des Innenkörpers 3 ausgeführt.

Der innere Luftkanal 6 bildet einen als Drallraum wirkenden Ringraum mit zunächst gleichbleibendem Quer­ schnitt, der sich zum Düsenaustritt hin durch das kegelförmige Endstück 4 des Innenkörpers 3 und durch die kegelförmige Ausbildung des Ringkörpers 5 verkleinert, derart, daß sich ein schmaler Luftringspalt 6a am Düsen­ ende ergibt. In dem Außenkörper 2 sind radial verlaufende und einander gegenüberliegende Luftzuführbohrungen 16, 17 angeordnet, die in den Ringraum 6 tangential einmünden.

Der äußere Luftkanal 7 bildet ebenfalls einen als Drall­ raum wirkenden Ringraum mit zunächst gleichbleibendem Querschnitt und zum Düsenaustritt hin sich verkleinerndem Querschnitt. In diesem Bereich verjüngt sich der Aus­ nehmungsabschnitt 9b, während die Außenwand 11 des Ring­ körpers 5 zylindrischen Verlauf hat. Auch in diesen äußeren Ringraum münden radial im Außenkörper 2 ver­ laufende Luftzuführbohrungen 18, 19 tangential ein, die einander gegenüberliegen. Die Luftzuführbohrungen 16, 17 und 18, 19 sind zueinander so angeordnet, daß die Luft­ ströme gegensinnig verdrallt werden (Fig. 2).

Die Kraftstoffzuführung 8 setzt sich aus zwei im Außen­ körper 2 axial verlaufenden Zulaufbohrungen 20, 21 , einem sich anschließenden, jedoch im Ringkörper 5 ange­ ordneten Ringkanal 22, von diesem ausgehenden am Umfang zahlreich verteilten Hauptbohrungen 23 sowie aus zuge­ ordneten Bohrungen 24 als Nebenbohrungen zusammen, die gegenüber den Hauptbohrungen 23 leicht abgewinkelt ver­ laufen, mit wesentlich kleinerem Durchmesser versehen sind und zwischen den Luftkanälen 6, 7 derart ausmünden, daß die aus den Luftkanälen 6, 7 austretenden Luftströme den Kraftstoffstrahl schneiden.

Die Austrittsöffnungen 6a, 7a der Luftkanäle 6, 7 und die Austrittsöffnungen 24a der Bohrungen 24 liegen zumindest annähernd in einer Austrittsebene.

Die in Fig. 1 gezeigte Zulaufbohrung 20 ist gegenüber Fig. 2 um 60° und ein Paßstift 25 um 15° versetzt dargestellt. Zu­ laufbohrungen 20 und 21 sowie Paßstifte 25 und 26 liegen einander diametral gegenüber, ebenso wie die den Ringkörper 5 mit dem Außenkörper 2 verspannten Be­ festigungsschrauben 27, 28.

Anstelle der Anordnung von düsenaustrittsseitigen Bohrungen 24 kann auch ein Kraftstoffringspalt 29 ge­ mäß Fig. 3 untere Hälfte vorgesehen sein.

Gegebenenfalls kann die Kraftstoffdüse 1 als Flachdüse gemäß Fig. 4 ausgebildet sein, die entweder mit Bohrungen 24 bestückt oder mit einem flachen Schlitz 30 versehen ist. Die Austrittsöffnungen 6a, 7a der Luftkanäle 6, 7 sind schlitzförmig ausgeführt. Die Schlitze verlaufen parallel zur Austrittsöffnung der Kraftstoffzuführung.

Die besondere luftgestützte Kraftstoffdüse kann als viel­ fältig optimierbares System nicht nur zur Zerstäubung von Kraftstoffen, sondern überall dort eingesetzt werden, wo entsprechende Forderungen an die Zerstäubung von Flüssigkeiten gestellt werden wie z.B. in medizinischen Geräten bei der Lackzerstäubung, bei der Oberflächen­ beschichtung, dem Ausbringen von Injektiziden und bei Verwendung von Mehrphasengemischen.

Claims (10)

1. In Gasturbinen für stationäre Gleichdruckverbrennung vorgesehene und als Ringdüse ausgebildete Kraftstoffdüse mit Luftunterstützung, die zwei Luftkanäle mit Austrittsöffnungen sowie eine zwischen den Luftkanälen angeordnete Kraftstoffzuführung aufweist, mit einem zentral liegenden zylindrischen Innenkörper mit kegelförmigem, düsenaustrittsseitig sich erweiterndem Endstück und einem den Innenkörper den inneren Luftkanal bildet, sowie einem gehäuseartigen Außenkörper für den äußeren Luftkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (6a, 7a) der Luftkanäle (6, 7) und die Austrittsöffnung (24a) der Kraftstoffzuführung (8) zumindest annähernd in einer Ebene liegen und zwischen den luftkanalseitigen Austritssöffnungen (6a, 7a) die Austrittsöffnung (24a) der Kraftstoffzuführung (8) derart angeordnet ist, daß die aus den Luftkanälen (6, 7) austretenden Luftströme den Kraftstoffstrahl stromab der Düsenmündung tangierend oder schneidend erfassen, wobei die Kraftstoffzuführung sich innerhalb des Ringkörpers (5) bis zur Düsenaustrittsseite erstreckt und der Ringkörper (5) gemeinsam mit dem Außenkörper (2) den äußeren Luftkanal (7) bildet.

2. Kraftstoffdüse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der innere und der äußere Luftkanal (6, 7) jeweils einen Ringraum mit in Strömungsrichtung gleichbleibendem Querschnitt und anschließend bis zur Düsenaustrittsseite hin sich verkleinerndem Querschnitt bilden.

3. Kraftstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den mit gleichbleibendem Querschnitt versehenen Ringraum des inneren und äußeren Luftkanals (6, 7) jeweils mindestens eine radial verlaufende Luftzuführbohrung (16, 17; 18, 19) tangential einmündet.

4. Kraftstoffdüse nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Einmündung der Luftzuführbohrung (16, 17; 18, 19) für den inneren und äußeren Luftkanal (6, 7) so vorgesehen ist, daß die tangential zugeführten Luftströme gleichsinnig verdrallt werden.

5. Kraftstoffdüse nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Einmündung der Luftzuführbohrung (16, 17; 18, 19) für den inneren und äußeren Luftkanal (6, 7) so vorgesehen ist, daß die tangential zugeführten Luftströme gegensinnig verdrallt werden.

6. Kraftstoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzuführung (8) im Ringkörper (5) düsenaustrittsseitig durch zahlreiche Bohrungen (24) gebildet ist.

7. Kraftstoffdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Bohrungen (24) für die Kraftstoffzuführung (8) stromauf liegende und im Durchmesser größere Hauptbohrungen (23) zugeordnet sind, die von einem durch den Außenkörper (2) und dem Ringkörper (5) begrenzten Ringkanal (22) abzweigen, zu dem eine axial verlaufende Zulaufbohrung (20) führt.

8. Kraftstoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzuführung (8) im Ringkörper (5) düsenaustrittsseitig durch einen Ringspalt (29) gebildet ist.

9. Kraftstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffdüse als Flachdüse ausgebildet ist, in der Form, daß sie eine aufgewickelte Ringdüse darstellt, wobei der Ringkörper zur Innendüse, der Außenkörper zum ersten Außenkörper und der Innenkörper zum zweiten Außenkörper wird.

10. Kraftstoffdüse nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkanäle (6, 7) der Flachdüse zur Düsenaustrittsseite hin konvergente Kanalkontur haben und deren Austrittsöffnung für die Kraftstoffzuführung (8) von durch die Luftkanäle umgebenden Bohrungen (24) oder einem Schlitz (30) gebildet ist.