DE808999C - Brenner fuer fluessige Brennstoffe, besonders fuer Gasturbinen-Brennkammern - Google Patents

Brenner fuer fluessige Brennstoffe, besonders fuer Gasturbinen-Brennkammern

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Publication number
DE808999C
DE808999C DEC369A DEC0000369A DE808999C DE 808999 C DE808999 C DE 808999C DE C369 A DEC369 A DE C369A DE C0000369 A DEC0000369 A DE C0000369A DE 808999 C DE808999 C DE 808999C
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DE
Germany
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burner according
chambers
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fuel
chamber
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Expired
Application number
DEC369A
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English (en)
Inventor
Ronald Guerin Meschino
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Canadian Patents and Development Ltd
Original Assignee
Canadian Patents and Development Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/24Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/38Nozzles; Cleaning devices therefor

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nozzles For Spraying Of Liquid Fuel (AREA)

Description

  • Brenner für flüssige Brennstoffe, besonders für Gasturbinen-Brennkammern Die Erfindung bezieht sich auf Brenner für flüssige Brennstoffe, besonders für Brennkammern von Gasturbinen-Triebwerken.
  • Bei einer Gasturbine wird der Brennstoff in mit hoher Geschwindigkeit strömende Luft eingespritzt. Damit eine gute Verbrennung erzielt wird, ist es wichtig, daß der Brennstoff gründlich zerstäubt und so gleichmäßig wie möglich auf den Luftstrom verteilt wird. Es ist also wichtig, daß eine gute Zerstäubung und Verteilung bei allen Betriebszuständen der Turbine und bei allen Einspritzmengen erreicht wird.
  • Die Zerstäubung wird normalerweise durch eine solche Anordnung verschiedener Bohrungen und Kammern innerhalb der Einspritzvorrichtung (des Brenners) erreicht, daß der Brennstoff innerhalb des Brenners in schnelle Drehung versetzt wird, ehe er aus dem Brenner in den Luftstrom austritt. Diese Drehung bewirkt, daß der Brennstoff aus der Düse in einem kegelförmigen Strahl fein verteilten Brennstoffs austritt. Änderungen des Brennstoffdrucks und der Einspritzmenge beeinträchtigen jedoch die Zerstäubung sehr, und bei niedrigem Druck ist der Wirbel so schwach, daB die Zerstäubung ernstlich in Frage gestellt ist.
  • Man hat die verschiedensten Einrichtungen erprobt, um diese Schwierigkeiten zu beheben, und von diesen ist der sogenannte überlaufbrenner wohl der wirkungsvollste. Bei diesem Brenner wird der Brennstoffdruck möglichst konstant gehalten, so daß eine gleichbleibende Wirbelgeschwindigkeit erzielt wird, und der den Bedarf überschreitende Brennstoff wird von der Düse aus durch eine gesteuerte Überlaufleitung in den Brennstoffbehälter zurückgeleitet. Obgleich dieser Brenner manche der Hauptprobleme der Zerstäubung löst, so verursacht ein einzelner Brenner dieser Art doch zu leicht eine zu große Brennstoffkonzentration in beschränkten Zonen des- mit hoher. Geschwindigkeit vorbeistreichenden Luftstromes, wodurch eine ungenügende Verbrennung und Brennstoffverluste entstehen. Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, kann man mehrere Brenner verwenden, aber wenn diese Brenner nicht gleichachsig in der Brennkammer angeordnet sind, so überschneiden sich ihre Spritzkegel und bewirken dadurch eine ungleichmäßige Brennstoffverteilung. Auf jeden Fall beansprucht die Verwendung mehrerer Brenner der bekannten Bauarten viel Raum. Außerdem berührt bei allen bekannten Brennern, bei denen im Innern ein Wirbel des Brennstoffs hervorgerufen wird, die kreisende Flüssigkeit und der sich im Innern des Wirbels bildende Luftkern die hintere Wand im Innern der Wirbelkammer. Diese Wand kann entweder durch die feste Wand der Kammer oder auch durch den in der Überlaufleitung befindlichen Brennstoff gebildet werden. Hierdurch wird ein unerwünschter Reibungswiderstand hervorgerufen, durch den der Luftkern und dadurch auch der Brennstoffstrahl leicht unstabil wird.
  • Zweck der Erfindung ist es, einen Brenner zu schaffen, in dem zwei Düsen gleichachsig derart angeordnet sind, daß die Unstabilität der Strömung, die allen Brenner mit einer oder zwei unabhängigen Wirbelkammern eigen ist, vermieden wird.
  • Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, eine bessere Zerstäubung bei geringeren Einspritzdrükken für beliebig große Einspritzmengen zu erreichen. Dies geschieht durch die Verwendung zweier Düsen, die von einer gemeinsamen Fördereinrichtung gespeist werden und im Falle eines Überlaufbrenners durch eine gemeinsame Überlaufleitung gesteuert werden.
  • Gemäß der Erfindung wird bei dem Brenner der flüssige Brennstoff unter Druck von einer Brennstofffördereinrichtung durch nicht radial angeordnete Bohrungen vorzugsweise tangential in einen Kanal eingeführt, der zwei in entgegengesetzter Richtung liegende Düsen miteinander verbindet. In diesem Kanal bildet sich ein zusammenhängender ringförmiger Körper aus herumwirbelndem Brennstoff mit einem Luftkern, der sich über die gesamte Länge des Kanals bis zu den Düsen und durch die Düsen hindurch erstreckt.
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine Seitenansicht eines Überlaufbrenners, Fig. 2 eine Stirnansicht dieses Brenners, Fig. 3 einen Längsschnitt nach der Linie 3-3 in Fig. z, Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in Fig. i, Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie 5-5 in Fig. i, Fig.6 einen Längsschnitt durch einen anderen Brenner, Fig. 7 einen Querschnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 6 und Fig. 8 einen Querschnitt nach der Linie 8-8 in Fig. 6.
  • Der Überlaufbrenner gemäß Fig. i bis 5 besteht aus dem eigentlichen zylindrischen Körper io, der in der Brennkammer derGasturbine durch die Ein-und Auslaßleitung i i und 12 gehalten wird. An den einander gegenüberliegenden Stirnseiten sind Düsen 13 und 14 vorgesehen. Der Brenner ist in der Brennkammer so angeordnet, daß seine Längsachse in der Richtung der durch den Pfeil A angedeuteten Luftströmungliegt, so daß dieDüse 13 in Strömungsrichtung und die Düse 14 entgegen dieser Richtung spritzt.
  • Der Körper io weist einen hohlzylindrischen Teil 15 auf, dessen Wandung in der Mitte bei 16 verstärkt ist und dort die Auslaßöffnung 17 aufweist, an die sich mit Hilfe der Hülse 18 die Auslaßleitung 12 anschließt. Sieben Längsbohrungen i9 gehen durch diesen verstärkten Teil hindurch. In der Mitte des Teils 16 befindet sich eine zylindrische Ausnehmung 2o, die beiderseits von schmalen Ringflanschen 2i und 21' eingefaßt ist. Diese Flanschen dienen unter Zwischenfügung von Dichtringen der Führung zweier zentraler Büchsen 22 und 22'. An seinem linken Ende ist der Körper 15 etwas eingezogen und weist Außengewinde 24 auf, während an dem anderen Ende eine Eindrehung 25 vorgesehen ist, die zum Aufsetzen eines zweiten hohlzylindrischen Körpers 26 dient, der eine Einlaßö flnung 27 aufweist, an die mit Hilfe einer Hülse 28 eine Zuführungsleitung i i angeschlossen ist. Dieser Körper ist an seinem freien Ende etwas eingezogen und weist ebenfalls ein Außengewinde 26b auf. Auf die äußeren Enden der zentralen Büchsen 22 und 22' sind die beiden Endstücke 30 und 30' aufgesetzt, die die beiden Düsen 13 und 14 aufweisen und zusammen mit den Büchsen je eine Wirbelkammer 31 und 31' enthalten, die in die Düsen ausmünden. Die Wirbelkammern sind über in die Kammern tangential einmündende Bohrungen 33 und 33' mit Ringräumen 32, 32' verbunden. Die Endstücke werden durch Überwurfmuttern 34 und 34' gehalten, die auf die Körper 26 bzw. 15 aufgeschraubt sind.
  • Man erkennt, daß sich an die verhältnismäßig engen ringförmigen Ausnehmungen 32 und 32' erweiterte Räume 35 bzw. 35' anschließen, die durch die Bohrungen i9 miteinander in Verbindung stehen. Die beiden Wirbelkammern sind über die Bohrungen 36 und 36' der Büchsen 22 und 22' und die mittlere zylindrische Kammer 37 miteinander verbunden. Der Durchmesser der Bohrungen 36 und 36' ist geringer als der der Wirbelkammern, aber beträchtlich größer als der der Düsen 13 und 14.
  • Die Wirkungsweise dieses Brenners ist die folgende: Der Brennstoff gelangt unter hohem Druck durch die Zuführungsleitung i i in den Ringraum 35 und durch die Bohrungen i9 auch in den Ringraum 35'. Aus diesen beiden Ringräumen tritt der Brennstoff durch die tangentialen Bohrungen 33 bzw. 33' in die Wirbelkammern 31 und 31' über, in denen auf diese Weise ein Umlauf des Brennstoffs mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird. Der aus den Düsen 13 und 14 austretende Brennstoff nimmt die Form eines kegelförmigen aus feinsten Brennstoffteilchen bestehenden Strahles 38 bzw. 38' an. Überschüssiger Brennstoff wird aus beiden Wirbelkammern durch die Bohrungen 36 und 36' in die zylindrische Kammer 37 und weiter durch die Auslaßleitung 12 zurückgeführt. Steuert man diesen Rückfluß durch ein Ventil, so kann man die Dicke der in den Wirbelkammern umlaufenden Brennstoffschicht und damit die Menge des durch die Düsen 13 und 14 austretenden Brennstoffs regeln. Der Druck, mit dem der Brennstoff in den Brenner eingeführt wird, wird über den gewünschten GeschwIndigkeitsbereich im wesentlichen konstant gehalten.
  • Bei der beschriebenen Bauart werden also beide Düsen durch eine gemeinsame Zuführungsleitung versorgt, und der Überlauf erfolgt ebenfalls über eine gemeinsame Auslaßleitung, so daß er auch durch ein gemeinsames Ventil gesteuert werden kann.
  • liei der dargestellten Anordnung der tangential in die Wirbelkammern einmündenden Bohrungen ist die Umlaufrichtung des Brennstoffs in beiden Kammern die gleiche, und zwar in der Richtung entgegen dein Luftstrom in der Brennkammer gesehen entgegengesetzt dem Uhrzeigersinne. Die wichtigste Folge dieser Anordnung ist, daß die beiden Systeme einen gemeinsamen Luftkern 39 haben. Bei allen Brennern, die nach dem Wirbelprinzip arbeiten, entsteht innerhalb des schnell umlaufenden Brencistoffs ein Luftkern, und die Stabilität des aus der Düse austretenden Brennstoffstrahles hängt von der Stabilität dieses Luftkernes ab. Endet aber Glas innere, d. h. das von der Düse entfernte l?ndc des Luftkernes an einer Wand der Wirbell;ammer oder an einer aus Brennstoff gebildeten \\'an<I in der LTberlaufleitung, so wird er mit einer Änderung der Brennstoffmenge leicht unstabil. Eine Stabilität kann daher nur dann sicher erreicht werden, wenn der Luftkern erfindungsgemäß an beiden Enden offen ist.
  • Bei Anwendung eines gemeinsamen Auslaßsystems und eines gemeinsamen Zuführungsdruckes sowie von 1'Virl)elkammern gleichen Durchmessers wird sich in leiden Kammern die gleiche Stärke des Brennstoffwirbels einstellen. Auf diese Weise kann die Verteilung des einzuspritzenden Brennstoffes auf die beiden Düsen durch die Wahl der Durchmesser der beiden Düsen bestimmt und der zur Erzieltuir einer wirksamen zweistufigen Verbrennung in dem Luftstrom erforderlichen Brennstoffverteilung angepaßt werden.
  • Mine andere Ausführungsform der Erfindung in cler Anwendung auf einen Doppelzulaufbrenner zeigen Fig. 6 bis B. Bei den normalen Brennern dieser Art sind zwei Brennstoffzuführungen vorgesehen. Durch die eine wird Brennstoff von etwa gleichem Druck eingeführt, so daß auch die dem Brennstoff erteilte Drehbewegung etwa gleichbleibend ist, während durch die andere von einem unabhängigen System aus ein veränderlicher Druck und damit eine veränderliche Drehbewegung überlagert wird, wodurch die Regelung des Brenners bewirkt wird. Wie aus Fig:6 ersichtlich ist, wird der eigentliche Brennerkörper41 in der Brennkammer durch die Hauptzuführungsleitung 42 und die Hilfszuführungsleitung 43 gehalten. An beiden Enden des Brennerkörpers 41 sind Düsen 44 und 45 vorgesehen, durch die der Brennstoff wiederum in Richtung des durch den Pfeil A bezeichneten Luftstroms bzw. entgegen dieser Richtung eingespritzt wird. Die beiden Düsen sind durch eine einzige mittlere Kammer .46 miteinander verbunden, die an den Enden konisch zuläuft und durch die beiden Endstücke 48 und 49 gebildet wird. Ein hohlzylindrisches Mittelstück 5o mit ringförmigen Ausdrehungen 51, 52 und 53 ist rund um die Endstücke angeordnet und mittels Überwurfmuttern 56 und 56' mit den Endstücken verschraubt.
  • Die Endstücke weisen außen Eindrehungen auf, die zusammen mit den Ausdrehungen des Mittelstückes Ringräume 57 und 58 bilden. Diese beiden Ringräume'sind durch die Längsbohrungen 59, die symmetrisch um die Achse des Brenners verteilt angeordnet sind, miteinander verbunden. Die Hauptzuführungsleitung 42 ist über die Einlaßöffnung 6o unmittelbar mit dem Ringraum 57 verbunden, und die beiden Ringräume 57 und 58 stehen mit der mittleren Kammer 46 über tangential in diese Kammer einmündende Bohrungen 61 bzw. 62 in Verbindung.
  • Durch die Eindrehung 48° des Endstückes 48 und die Ausdrehung 52 wird zusammen mit dem End-e, 49 ein kleinerer Ringraum 63 gebildet, der mit der mittleren Kammer 46 ebenfalls über tangential in diese Kammer einmündende Bohrungen 65 in Verbindung steht. In diesen Ringraum 63 mündet die Hilfszuführungsleitung 43 ein.
  • Die Wirkungsweise dieses Doppelzulaufbrenners ist ähnlich der des Überlaufbrenners, abgesehen davon, daß die Regelung des Brennstoffzuflusses durch Änderung des Druckes in der Hilfszuführungsleitung 43 erfolgt, wodurch die Zuflußgeschwindigkeit in diesem Rohr und dadurch die WirbelgeschNvindigkeit in der Kammer 46 beeinflußt wird. Der Druck in der Hauptzuführungsleitung wird dabei im wesentlichen konstant gehalten. Wie auch bei dem Überlaufbrenner wird hier in beiden Düsen des Brenners gemeinsamer Luftkern gebildet, so daß eine gute Stabilität der durch die Düsen ausgespritzten Strahlen erreicht wird.
  • Die beschriebenen Brenner stellen nur Beispiele dar, die der Veranschaulichung der Erfindung dienen. Es ist selbstverständlich, daß Änderungen in der Form, Größe und Anordnung vorgenommen werden können, ohne daß damit der Rahmen der Erfindung verlassen zu werden braucht.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Brenner für flüssige Brennstoffe, besonders für Gasturbinen-Brennkammern, bei dem der Brennstoff durch nichtradiale Bohrungen in eine Wirbelkammer eingeleitet wird, an deren Stirnseite die Austrittsdüse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in entgegengesetzter Richtung angeordnete, durch einen Kanal (36, 36' bzw. 46) miteinander verbundene Düsen (13 und 14 bzw. 44 und 45) vorgesehen sind, durch den sich ein innerhalb der herumwirbelnden ringförmigen Flüssigkeitskörper liegender, beide Düsen miteinander verbindender Luftkern erstreckt. z. Brenner nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine die Flüssigkeitsmenge regelnde zusätzliche Leitung (12 oder 43), die mit dem Kanal (36, 36' bzw. 46) in Verbindung steht. 3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Leitung (12) als Rückflußleitung ausgebildet ist. 4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Leitung (12) als Überlaufleitung ausgebildet ist. 5. Brenner nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Brennstoffzuführungsleitung (i i bzw.42) und die Wirbelkammern (31 bzw.46) Verteilerkammern (35 bzw. 57, 58) eingeschaltet sind. 6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerkammern (35 bzw. 57, 58) ringförmig um die Wirbelkammern (31 bzw. 46) herum angeordnet sind. 7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerkammern (35 bzw. 57, 58) gleichachsig zu den Wirbelkammern (31 bzw. 46) angeordnet sind. B. Brenner nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerkammern (35 und 35' bzw. 57 und 58) miteinander verbunden sind. g. Brenner nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile des Verbindungskanals (36) zu zylindrischen Wirbelkammern (31, 31') erweitert sind. io. Brenner nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß die die Düsen (13, 14) enthaltenden Stirnwände der Wirbelkammern W, 3i') zu den Düsen hin konisch zulaufen. i i. Brenner nach einem der Ansprüche i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (36) eine mittlere zylindrische Kammer (37) aufweist. 12. Brenner nach Anspruch i i, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückflußleitung (12) von der Kammer (37) ausgeht. 13. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennkennzeichnet, daß die zusätzliche Leitung (43) als Zuführungsleitung ausgebildet ist. 14. Brenner nach Anspruch 2, 5 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß außer den mit den Hauptzuführungsleitung (42) in Verbindung stehenden Verteilerkammern (57, 58) eine weitere, mit der Hilfszuführungsleitung (43) in Verbindung stehende Verteilerkammer (63) vorgesehen ist. 15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (46) über die gesamte Länge zwischen den Düsen (13, 14) den gleichen Durchmesser aufweist und daß die Verteilerkammer (63) in der gleichen Weise durch tangential einmündende Bohrungen (65) mit dem als Wirbelkammer wirkenden Kanal verbundenlIst, wie die Verteilerkammern (57, 58) durch die Bohrungen (61, 62).
DEC369A 1948-12-30 1949-12-31 Brenner fuer fluessige Brennstoffe, besonders fuer Gasturbinen-Brennkammern Expired DE808999C (de)

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