EP0794383B1

EP0794383B1 - Verfahren zum Betreiben einer Druckzerstäuberdüse

Info

Publication number: EP0794383B1
Application number: EP97810083A
Authority: EP
Inventors: Klaus Dr. Döbbeling; Peter Dr. Jansohn; Hans Peter Knöpfel; Christian Dr. Steinbach
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2002-11-06
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: EP0794383A2; CN1164442A; DE59708638D1; EP0794383A3; JPH09327641A; US5934555A; DE19608349A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Druckzerstäuberdüse in einer Gasturbinenbrennkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Bekannt sind Zerstäuberbrenner, in denen das zur Verbrennung gelangende Öl mechanisch fein verteilt wird. Es wird in feine Tröpfchen von ca. 10 bis 400 µm Durchmesser (Ölnebel) zerlegt, die unter Mischung mit der Verbrennungsluft in der Flamme verdampfen und verbrennen. In Druckzerstäubern (siehe Lueger - Lexikon der Technik, Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart, 1965, Band 7, S.600) wird durch eine Ölpumpe das Öl unter hohem Druck einer Zerstäuberdüse zugeführt. Über im wesentlichen tangential verlaufende Schlitze gelangt das Öl in eine Wirbelkammer und verlässt die Düse über eine Düsenbohrung. Dadurch wird erreicht, dass die Ölteilchen zwei Bewegungskomponenten, eine axiale und eine radiale, erhalten. Der als rotierender Hohlzylinder aus der Düsenbohrung austretende Ölfilm weitet sich aufgrund der Fliehkraft zu einem Hohlkegel aus, dessen Ränder in instabile Schwingungen geraten und zu kleinen Öltröpfchen zerreissen. Das zerstäubte Öl bildet einen Kegel mehr oder weniger grossen Öffnungswinkels.

Bei der schadstoffarmen Verbrennung von mineralischen Brennstoffen in modernen Brennern, beispielsweise in Vormischbrennern der Doppelkegelbauart, die in ihrem prinzipiellen Aufbau in EP 0 321 809 B1, beschrieben sind, werden aber besondere Anforderungen an die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes gestellt. Diese sind vor allem folgende:

1. Die Tröpfchengrösse muss gering sein, damit die Öltröpfchen vor der Verbrennung vollständig verdampfen können.

2. Der öffnungswinkel (Ausbreitungswinkel) des Ölnebels soll insbesondere bei der Verbrennung unter erhöhtem Druck klein sein.

3. Die Tropfen müssen eine hohe Geschwindigkeit und einen hohen Impuls haben, um weit genug in den verdichteten Verbrennungsluftmassenstrom eindringen zu können, damit sich der Brennstoffdampf vollständig mit der Verbrennungsluft vor Erreichen der Flammenfront vormischen kann.

Dralldüsen (Druckzerstäuber) und luftunterstützte Zerstäuber der bekannten Bauarten mit einem Druck bis zu ca. 100 bar sind dafür kaum geeignet, weil sie keinen kleinen Ausbreitungswinkel erlauben, die Zerstäubungsqualität eingeschränkt ist und der Impuls des Tropfensprays gering ist.

Als Folge dieser ungenügenden Verdampfung und Vormischung des Brennstoffes ist deshalb eine Wasserzugabe zum lokalen Absenken der Flammentemperatur und damit der NOx-Bildung notwendig. Da das zugeführte Wasser oftmals auch Flammenzonen stört, die zwar an sich wenig NOx erzeugen, aber für die Flammenstabilität sehr wichtig sind, treten häufig Instabilitäten, wie Flammenpulsation und/oder schlechter Ausbrand auf, was zum Anstieg des CO-Ausstosses führt.

Eine Verbesserung ist mit der aus EP 0 496 016 B1 bekannten Hochdruckzerstäuberdüse zu erreichen. Diese besteht aus einem Düsenkörper, in welchem eine Turbulenzkammer ausgebildet ist, welche über mindestens eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht, und welche mindestens einen Zufuhrkanal für die unter Druck zuführbare zu zerstäubende Flüssigkeit aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des in die Turbulenzkammer mündenden Zufuhrkanales um den Faktor 2 bis 10 grösser ist als die Querschnittsfläche der Düsenbohrung. Durch diese Anordnung gelingt es, in der Turbulenzkammer ein hohes Turbulenzniveau zu erzeugen, das auf dem Weg bis zum Austritt aus der Düse nicht abklingt. Der Flüssigkeitsstrahl wird durch die vor der Düsenbohrung erzeugte Turbulenz im Aussenraum, also nach Verlassen der Düsenbohrung zum raschen Zerfall gebracht, wobei sich niedrige Ausbreitungswinkel von 20° und weniger ergeben. Die Tröpfchengrösse ist ebenfalls sehr niedrig.

Beim Betrieb von Gasturbinenbrennern mit flüssigem Brennstoff ist man bestrebt, möglichst über den gesamten Lastbereich der Gasturbine (ca. 10% bis 120% Brennstoffmassenstrom bezogen auf Nennlastbedingungen) ein Tropfenspray zu erzeugen, das im gesamten Bereich eine schadstoffarme und stabile Verbrennung in einem vorgegebenen Luftströmungsfeld ermöglicht.

Der Einsatz einer oben beschriebenen Hochdruckzerstäuberdüse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff in Gasturbinenbrennern führt bei Vollast und Überlast (100-120%) wunschgemäss zwar zu einem nicht zu hohen Druck (100 bar) und einer geringen Tröpfchengrösse, wobei aufgrund des engen Spraywinkels unerwünschte Wandbenetzung und Verkokung vermieden werden.

Bei Teillast sinkt jedoch der Brennstoffvordruck aufgrund des fallenden Gesamtbrennstoffmassenstromes ab. Die zur Zerstäubung erforderliche Energie für Druckzerstäuber ist aber über den Brennstoffvordruck gegeben, so dass sich in diesem Lastbereich die Zerstäubungsgüte verschlechtert und die Eindringtiefe des Brennstoffsprays in die Luftströmung durch den niedrigen Brennstoffvordruck geringer wird.

Aus US 2 628 867 und DE 893 133 sind Brennstoffdüsen mit 2 Druckdrallstufen bekannt, bei denen die zweite stufe erst bei Vollast zugeschaltet wird.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, die Nachteile des bekanntes Standes der Technik zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum betrieb einer Druckzerstäuberdüse mit zwei Druckdrallstufen zu entwickeln, mit welchem ein an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasstet. Spraywinkel der zu zerstäubenden Flüssigkeit ermöglicht wird. Beim Einsatz dieser Druckzerstäuberdüse in einem Gasturbinenbrenner soll schon bei kleinen Brennstoffmassenströmen (ca. 25% bezogen auf Nennlastbedingungen) ein hinreichend grosser Düsenvordruck erzeugt werden, während die Düse bei grossen Brennstoffmassenströmen (ca. 100-120% bezogen auf Nennlastbedingungen) einen nicht zu hohen Düsenvordruck benötigen soll. Mit dem so erzeugten Tropfenspray soll über den gesamten Lastbereich der Gasturbine eine schadstoffarme und stabile Verbrennung ermöglicht werden.

Erfindungsgemäss wird das bei einem Verfahren zum Betrieb einer Druckzerstäuberdüse in einem Gasturbinenbrenner, wobei die Druckzerstäuberdüse einen Düsenkörper umfasst, in welchem eine Drallkammer ausgebildet ist, welche über eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht und mindestens einen ersten Zufuhrkanal für die zu zerstäubende Flüssigkeit aufweist, durch welchen besagte Flüssigkeit drallbehaftet unter Druck zugeführt wird und in die Kammer mindestens ein weiterer Zufuhrkanal für einen Teil der zu zerstäubende Flüssigkeit bzw. für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit mündet, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit, bzw. die zweite Flüssigkeit unter Druck und mit Drall zugeführt wird dadurch erreicht, dass die Druckzerstäuberdüse bei Voll- und Uberlastbetrieb der Gasturbine über eine Druckdrallhauptstufe mit geringem Drall betrieben wird, indem die gesamte zu zerstäubende Flüssigkeit über den ersten Zufuhrkanal der Drallkammer verdrallt zugeführt wird, wobei dort eine verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die mindestens eine Düsenbohrung in den Aussenraum gelangt, und dass die Druckzerstäuberdüse bei Teil- und Niedriglastbetrieb der Gasturbine zusätzlich über eine weitere Druckdrallstufe mit grösserem Drall betrieben wird, indem ein Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit oder die zweite zu zerstäubende Flüssigkeit über den mindestens einen weiteren Zufuhrkanal stärker verdrallt der Kammer zugeführt wird und dort eine stark verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die mindestens eine Düsenbohrung in den Aussenraum gelangt, wobei der Anteil der über die weitere Drallstufe zugeführten stärker verdrallten Flüssigkeit mit fallendem Gesamtflüssigkeitsmassenstrom vergrössert wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, dass dadurch eine Anpassung des Topfensprays (Zerstäubungsgüte, Tropfengrösse, Spraywinkel) an die jeweiligen Lastbedingungen ermöglicht wird.

Vorteilhaft ist ein gleitendes Umschalten zwischen den beiden Stufen, sowie je nach Lastbedingungen der Betrieb der Düse mit nur einer der beiden Stufen.

Schliesslich werden mit Vorteil die Düse und das Verfahren zum Betrieb der Düse in einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart oder einem Vierschlitzbrenner eingesetzt, wobei im Düsennahbereich ein Teil der Verbrennungsluft (ca. 3 bis 7%) im Mantelstrom um die Düse geführt wird. Dadurch werden lokale Ablöse- und Rezirkulationsgebiete vermieden. Es wird verhindert, dass die Rezirkulationszone in das Innere des Brenners verschoben wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1: einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse mit zwei Drallstufen;
Fig. 2: einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1 im Bereich der Drallhauptstufe entlang der Linie V-V;
Fig. 3: einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1 im Bereich der weiteren Drallstufe entlang der Linie VI-VI;
Fig. 4: eine schematische Darstellung des Flüssigkeitszufuhrsystems zur zweistufigen Druckzerstäuberdüse, wobei in beiden Stufen Öl zerstäubt wird;
Fig. 5: eine schematische Darstellung des Flüssigkeitszufuhrsystems zur zweistufigen Druckzerstäuberdüse, wobei in beiden Stufen jeweils unterschiedliche Flüssigkeiten(Öl, Wasser) zerstäubt werden;
Fig. 6: eine schematische Darstellung der Massenstromverteilung für eine Düse gemäss Fig. 1;
Fig. 7: einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart in perspektivischer Darstellung
Fig. 8: einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene XIII-XIII gemäss Fig. 7;
Fig. 9: einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene XIV-XIV gemäss Fig. 7;
Fig. 10: einen vereinfacht dargestellten Schnitt in der Ebene XV-XV gemäss Fig. 7;
Fig. 11: eine-schematische Ansicht eines Doppelkegelbrenners mit Mantelluftstromführung im Düsennahbereich;
Fig. 12: eine schematische Ansicht eines Vierschlitzbrenners mit Mantelluftstromführung im Düsennahbereich.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 12 näher erläutert.

Fig. 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 1 die Druckzerstäuberdüse in einem Teillängsschnitt darstellt und die Fig. 2 und 3 zwei Querschnitte in unterschiedlichen Ebenen zeigen.

Die Druckzerstäuberdüse umfasst einen Düsenkörper 30, bestehend aus einem ersten Rohr 31, das an seinem in Strömungsrichtung gesehenen Ende durch einen kegeligen Deckel 32 verschlossen ist. In der Mitte des Deckels 32 ist eine Düsenbohrung 33 angeordnet, deren Längsachse mit 34 bezeichnet ist. In das Rohr 31 ist ein zweites, einen kleineren Aussendurchmesser als der Innendurchmesser des ersten Rohres 31 aufweisendes Rohr 35 eingesetzt, das bis an den Deckel 32 heranreicht und auf diesem aufliegt. Der Ringraum 36 zwischen den beiden Rohren 31 und 35 dient der Zufuhr der bzw. eines Teiles der zu zerstäubenden Flüssigkeit 37'. Das auf dem Deckel 32 aufliegende Ende des Rohres 35 ist mit vier tangential angestellten Schlitzen 38 versehen, die eine Verbindung des Ringraumes 36 mit einer Kammer 39 herstellen, welche als Drallkammer für die durch die Schlitze 38 einströmende zu zerstäubende Flüssigkeit 37' dient. Die Kammer 39 wird begrenzt durch die Innenwände des Deckels 32 und des zweiten Rohres 35, sowie durch ein Füllstück 40, welches im Inneren des zweiten Rohres 35 eingeschoben und darin befestigt ist. Dieses Füllstück 40 ist von der Oberkante der Schlitze 38 beabstandet, es kann sich aber bei einer anderen Ausführungsvariante auch auf gleicher Höhe befinden. Im Füllstück 40 sind vier Zufuhrkanäle 41a für die zu zerstäubende Flüssigkeit 37 angeordnet.

Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Druckzerstäuberdüse auch mit mehr oder weniger Schlitzen 38 bzw. Zufuhrkanälen 41a versehen sein. Ebenso ist auch eine andere Verteilung der Kanäle über den Umfang möglich.

Die Zufuhrkanäle 41a sind im Füllstück 40 tangential angestellt, so dass die zu zerstäubende Flüssigkeit 37 sowohl über die Kanäle 38 als auch über die Kanäle 41a verdrallt in die Kammer 39 gelangt. Dabei ist wichtig, dass die zu zerstäubende Flüssigkeit 37 nur einen geringen Drall, der zu einem engen Spraykegelwinkel  führt, erhält, wenn sie die Kanäle 41a durchströmt hat, während der Drall der Flüssigkeit 37 nach Durchströmen der Kanäle 38 grösser ist und damit ein grösserer Spraykegelwinkel  erreichbar ist. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ist dargestellt, dass die Düse von zwei zu zerstäubenden Flüssigkeiten 37 und 37' beaufschlagt wird. Beide Flüssigkeiten 37, 37' werden der Kammer 39, die in diesem Falle eine reine Drallkammer ist, verdrallt zugeführt, wobei die Flüssigkeit 37 weniger verdrallt ist als die Flüssigkeit 37'. Durch die unterschiedliche Verdrallung kann der Spraykegelwinkel  und damit die Verteilung des Flüssigkeitsmassenstromes nach der Düse beeinflusst werden. Selbstverständlich kann austelle von 2 Flüssigkeiten 37, 37' auch nur eine zu zerstänbende Flüssigkeit 37 für beide Drallsteifen benutzt werden.

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mögliches Flüssigkeitszufuhrsystem zur Druckzerstäuberdüse. Über eine Pumpe 42 wird die zu zerstäubende Flüssigkeit, in diesem Falle flüssiger Brennstoff (Öl) 12, in einen Druckbehälter 43 gepumpt. Ein Rücklaufventil 49 dient der Einstellung des Pumpenvordruckes. Zwischen der Pumpe 42 und dem Druckbehälter 43 ist in der Brennstoffleitung ein Absperrventil 50 angeordnet. Vom Druckbehälter 43 gehen zwei Leitungen 44, 45 ab, wobei die Leitung 44 den Ringraum 36 (und damit die Drallzerstäuberstufe) speist und die Leitung 45 mit den Zufuhrkanälen 41a (Drallzerstäuberstufe) in Verbindung steht. In den Leitungen 44 und 45 ist jeweils ein Steuerventil 46 bzw. 47 angeordnet, welche eine Regulierung der jeweiligen zugeführten Flüssigkeitsmenge gestatten. Je nach Bedarf kann auch eines der beiden Ventile 46, 47 völlig geschlossen sein, so dass in diesem Falle nur eine der beiden Zerstäuberstufen der Düse in Betrieb ist. Zwischen beiden Stufen ist ein gleitendes Umschalten möglich. Wie in Fig. 4 angedeutet ist, sollen über dieses Brennstoffzufuhrsystem mehrere Brenner beispielsweise einer Gasturbinenbrennkammer mit Brennstoff versorgt werden. Die gezeigte Schaltung hat den Vorteil, dass zur Regelung der zwei Zerstäuberstufen nur die beiden Ventile 46, 47, d.h. nur ein Steuerventil pro Stufe, notwendig sind.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsvariante analog zu Fig. 4 dargestellt. Die Druckzerstäuberdüse wird in diesem Falle über eine Zufuhrleitung 44 mit Wasser 51 und eine Zufuhrleitung 45 mit Öl 12 gespeist. In den Leitungen 44 und 45 ist jeweils eine Pumpe 42 und stromabwärts ein Abstellventil 50 angeordnet, mit dem wahlweise die Leitungen 44 und 45 geschlossen werden können. Die Menge der zu zerstäubenden Flüssigkeiten 12, 51 wird mittels der Steuerventile 46, 47 geregelt. Werden, wie in Fig. 5 angedeutet, über dieses Flüssigkeitszufuhrystem mehrere Brenner beispielsweise einer Gasturbinenbrennkammer mit flüssigem Brennstoff 12 bzw. Wasser 51 versorgt, so kann beim Start bzw. bei Teillast die Düse betrieben werden, indem nur Öl 12 über die Drallhauptstufe fein zerstäubt wird. Die Drallstufe kann dabei für Maximaldruck bei maximalem Brennstoffmassenstrom m ˙_Bs ausgelegt werden. Bei höherer Last bzw. Vollast erfolgt dann über die Leitung 44 eine Zufuhr von Wasser 51. Wasser 51 und Öl 12 vermischen sich in der Kammer 39 und bilden eine Emulsion, welche beim Austritt aus der Düse zerstäubt wird. Dies führt zur Senkung der NOx-Emissionen. Auch hier ergibt sich als Vorteil, dass nur ein Steuerventil pro Zerstäuberstufe notwendig ist, dass für den Gasturbinenbetrieb nur eine Ölleitung notwendig ist und dass die Drallstufe für reinen Ölbetrieb ausgelegt werden kann, da die Zufuhr von Wasser 51 durch die Leitung 44 zu einer Erhöhung des Gesamtmassenstromes bei gleichem Druck führt.

Fig. 6 zeigt die Verteilung des Brennstoffmassenstromes m ˙_BS in Abhängigkeit vom Radius R des Sprays bei einer Druckzerstäuberdüse gemäss der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante in einem gewissen Abstand von der Düse. Beim kombinierten Betrieb der beiden mit unterschiedlichen Spraykegelwinkeln  arbeitenden Drallstufen kann die Massenstromverteilung zwischen beiden Stufen variiert werden.

Die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse kann beispielsweise in einen Gasturbinenbrenner eingebaut und folgendermassen betrieben werden:

Wird eine Druckzerstäuberdüse gemäss Fig. 1 verwendet, so wird bei Voll- und Überlastbetrieb der Gasturbine der gesamte zu zerstäubende Brennstoff über mindestens einen ersten Zufuhrkanal 41a (nach Fig. 1 vier Zufuhrkanäle 41a) der Drallkammer 39 mit geringem Drall zugeführt, wobei dort eine verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die Düsenbohrung 33 in den Aussenraum gelangt. Durch den geringen Drall wird ein enger Spraykegelwinkel  realisiert, der bei hohen Drücken zu einer feinen Zerstäubung des Brennstoffes führt. Bei Teil- und Niedriglastbetrieb wird zusätzlich ein Teil des zu zerstäubenden Brennstoffes über den mindestens einen weiteren Zufuhrkanal 38 (nach Fig. 1 vier Zufuhrkanäle 38) stärker verdrallt der Kammer 39 zugeführt. In der Kammer 39 wird dadurch eine stärker verdrallte Strömung erzeugt, welche anschliessend durch die Düsenbohrung 33 in den Aussenraum gelangt, wobei der Anteil des über die weitere Drallstufe zugeführten stärker verdrallten Brennstoffmassenstromes mit fallendem Gesamtbrennstoffmassenstrom vergrössert wird. Die starke Verdrallung führt hierbei zu einem grösseren Spraykegelwinkel , welcher wiederum die niedrigere Eindringtiefe des Brennstoffsprays in die Luftströmung kompensiert. Durch die variable Gestaltung des Spraykegelwinkels  kann eine optimale Anpassung der Zerstäubung des Brennstoffes an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Gasturbine erfolgen. Im Gegensatz zu üblichen zweistufigen Dralldüsen werden bei der erfindungsgemässen Ausführung beide Stufen in einer gemeinsamen Drallkammer zusammengeführt. Ausserdem ist es möglich, je nach Lastbereich verschiedene Flüssigkeiten, z.B. Öl 12 und Wasser 51, in den beiden Stufen zu zerstäuben.

Die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse kann beispielsweise in einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauart, dessen prinzipieller Aufbau in EP 0 321 809 B1 beschrieben ist, eingebaut werden.

Fig. 7 zeigt in perspektivischer Darstellung den Doppelkegelbrenner mit integrierter Vormischzone. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 sind bezüglich ihrer Längssymmetrieachsen 1b, 2b radial versetzt zueinander angeordnet. Dadurch entstehen auf beiden Seiten der Teilkegelkörper 1, 2 in entgegengesetzter Einströmungsanordnung jeweils tangentiale Lufteintrittsschlitze 19, 20, durch welche die Verbrennungsluft 15 in den Innenraum 14 des Brenners, d.h. in den von den beiden Teilkegelkörpern 1, 2 gebildeten Kegelhohlraum strömt. Die Teilkegelkörper 1, 2 erweitern sich geradlinig in Strömungsrichtung, d.h. sie weisen einen konstanten Winkel α mit der Brennerachse 5 auf. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a, welche ebenfalls versetzt verlaufen. In diesem zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a befindet sich die erfindungsgemässe Druckzerstäubungsdüse 3, welche etwa im engsten Querschnitt des kegelförmigen Innenraums 14 des Brenners angeordnet ist. Selbstverständlich kann der Brenner auch ohne zylindrischen Anfangsteil, also rein kegelig ausgeführt sein. Der flüssige Brennstoff 12 wird mittels der Düse 3 in oben beschriebener Art und Weise zerstäubt. In Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen ergeben sich unterschiedliche Spraykegelwinkel . Der Brennstoffspray 4 wird im Innenraum 14 des Brenners von dem durch die Lufteintrittsschlitze 19, 20 tangential in den Brenner einströmenden Verbrennungsluftstrom 15 umschlossen, die Zündung des Gemisches erfolgt erst am Ausgang des Brenners, wobei im Bereich der Brennermündung die Flamme durch eine Rückströmzone 6 stabilisiert wird.

Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen längs der Lufteintrittsschlitze 19, 20 je eine Brennstoffzuleitung 8, 9 auf, welche längsseitig mit Öffnungen 17 versehen sind, durch welche ein weiterer Brennstoff 13 (gasförmig oder flüssig) strömen kann. Dieser Brennstoff 13 wird der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 in den Brennerinnenraum strömenden Verbrennungsluft 15 zugemischt, was durch die Pfeile 16 dargestellt wird. Ein Mischbetrieb des Brenners über die Düse 3 und die Brennstoffzuführungen 8, 9 ist möglich.

Brennraumseitig ist eine Frontplatte 10 angeordnet mit Öffnungen 11, durch welche bei Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft dem Brennraum 22 zugeführt werden. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung dafür, dass eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners stattfindet. Dort stellt sich eine stabile Flammenfront 7 mit einer Rückströmzone 6 ein.

Aus den Fig. 8 bis 10 ist die Anordnung von Leitblechen 21a, 21b zu entnehmen. Diese können beispielsweise um einen Drehpunkt 23 geöffnet oder geschlossen werden, so dass dadurch die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 19, 20 verändert wird. Selbstverständlich kann der Brenner auch ohne diese Leitbleche 21a, 21b betrieben werden.

Da bei diesen Brennern die Gefahr besteht, dass sich im Düsennahbereich Ablöse- und Rezirkulationsgebiete bilden, wird dies gemäss Fig. 11 verhindert, indem um die Düse 3 ein Kanal 24 angeordnet wird, durch den ein Mantelluftsttrom 15a als Spülluft strömt. Der Mantelluftstrom 15a beträgt etwa 3 bis 7% des Verbrennungsluftstromes 15.

Selbstverständlich kann mit dem eben beschriebenen Verfahren auch ein Brenner (s. Fig. 12) betrieben werden, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger 100 für einen Verbrennungsluftstrom 15 und aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes, bei dem stromab des Drallerzeugers 100 eine Mischstrecke 220 angeordnet ist und diese innerhalb eines ersten Streckenteiles 200 in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle 201 zur Überführung einer im Drallerzeuger 100 gebildeten Strömung in den stromab der Übergangskanäle 201 nachgeschalteten Durchflussquerschnitt 18 der Mischstrecke 220 aufweist, wobei das Mittel zur Eindüsung des Brennstoffes eine erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse ist, welche nach einem der oben beschriebenen Verfahren betrieben wird. Der Drallerzeuger 100 ist bevorzugt ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach (z.B. über vier Schlitze) vom tangential einströmenden Verbrennungsluftstrom 15 beaufschlagt wird. Dieser Verbrennungsluftstrom 15 legt sich um den Brennstofftropfenspray 4, der zuvor durch Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 12 in der zweistufigen Druckzerstäuberdüse 3 gebildet wurde. Die sich bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangsgeometrie (Übergangskanäle 201) nahtlos in ein Übergangsstück 200 übergeleitet, welches durch ein Rohr 18 verlängert ist. Beide Teile bilden die Mischstrecke 220, an die sich abströmseitig die eigentliche, hier nicht dargestellte Brennkammer anschliesst. Die Mischstrecke erlaubt eine sehr gute Vormischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft, ermöglicht eine verlustarme Strömungsführung und verhindert durch ein Maximum an Axialgeschwindigkeit auf der Achse eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer. Da die Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt, sind in der Wand des Rohres 18 Bohrungen 48 vorgesehen, durch die Verbrennungsluft 15 einströmt, welche entlang der Wand eine Geschwindigkeitserhöhung hervorruft. Erst stromab des Mischrohres 220 bildet sich eine zentrale Rückströmzone 6, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Auch hier ist es von Vorteil, wenn 3 bis 7% des Verbrennungsluftstromes 15 als Mantelluftstrom 15a um die Druckzerstäuberdüse geführt werden. Auf diese Weise werden wiederum Ablöse- und Rezirkulationsgebiete im Düsennahbereich verhindert.

Bezugszeichenliste

1, 2: Teilkegelkörper
1a, 2a: zylindrischer Anfangsteil
1b, 2b: Mittelachse der Teilkegelkörper
3: Zerstäuberdüse
4: Brennstofftropfenspray
5: Brennerachse
6: Rückströmzone (vortex breakdown)
7: Flammenfront
8, 9: Brennstoffzuleitung
10: Frontplatte
11: Öffnungen in der Frontplatte
12: flüssiger Brennstoff
13: weiterer Brennstoff (flüssig oder gasförmig)
14: Innenraum des Brenners
15: Verbrennungsluftstrom
15a: Mantelluftstrom (Teil von Pos. 15)
16: Eindüsung Brennstoff
17: Öffnungen
18: Rohr
19, 20: tangentialer Lufteintrittsschlitz
21a,21b: Leitblech
22: Brennraum abströmseitig des Brenners
23: Drehpunkt
30: Düsenkörper
31: erstes Rohr
32: Deckel von Pos. 31
33: Düsenbohrung
34: Längsachse der Düse
35: zweites Rohr
36: Ringraum zwischen Pos. 31 und 35
37: zu zerstäubende Flüssigkeit
37': zweite zu zerstäubende Flüssigkeit
38: tangential angestellter Schlitz
39: Turbulenz- und/oder Drallkammer
40: Füllstück
41a: Zufuhrkanal (tangential angestellt)
42: Pumpe
43: Druckbehälter
44: Leitung
45: Leitung
46: Ventil in Pos. 44
47: Ventil in Pos. 45
48: Bohrungen in Pos. 18
49: Rücklaufventil
50: Absperrventil
51: Wasser
100: Drallerzeuger
200: Übergangsstück
201: Übergangskanal
220: Mischrohr
α: Kegelhalbwinkel
: Spraykegelwinkel
R: Radius des Sprays
m ˙_BS: Brennstoffmassenstrom

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Druckzerstäuberdüse in einem Gasturbinenbrennes umfassend einen Düsenkörper (30), in welchem eine Drallkammer (39) ausgebildet ist, welche über eine Düsenbohrung (33) mit einem Aussenraum in Verbindung steht und mindestens eineh ersten Zufuhrkanal (41a) für die zu zerstäubende Flüssigkeit (37) aufweist, durch welchen besagte Flüssigkeit (37) drallbehaftet unter Druck zugeführt wird, und in die Kammer (39) mindestens ein weiterer Zufuhrkanal (38) für einen Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit (37) oder für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit (37') mündet, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit (37) oder die zweite Flüssigkeit (37') unter Druck und mit Drall zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckzerstäuberdüse bei Voll- und Überlastbetrieb der Gasturbine über eine Druckdrallhauptstufe mit geringem Drall betrieben wird, indem die gesamtz zu zerstäubende Flüssigkeit (37) über den ersten Zufuhrkanal (41a) der Drallkammer (39) verdrallt zugeführt wird, wobei dort eine verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die mindestens eine Düsenbohrung (33) in den Aussenraum gelangt, und dass die Druckzerstäuberdüse bei Teil- und Niedriglastbetrieb der Gasturbine zusätzlich über eine weitere Druckdrallstufe mit grösserem Drall betrieben wird, indem ein Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit (37) oder die zweite zu zerstäubende Flüssigkeit (37') über den mindestens einen weiteren Zufuhrkanal (38) stärker verdrallt der Kammer (39) zugeführt wird und dort eine stark verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die mindestens eine Düsenbohrung (33) in den Aussenraum gelangt, wobei der Anteil der über die weitere Drallstufe zugeführten stärker verdrallten Flüssigkeit (37, 37') mit fallendem Gesamtflüssigkeitsmassenstrom vergrössert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Stufen gleitend umgeschalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stufen gleichzeitig und im Durchsatz variierbar betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der beiden Stufen betrieben wird.