EP1004821B1 - Device for pulverising liquid fuel for a combustion plant - Google Patents
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- EP1004821B1 EP1004821B1 EP99811040A EP99811040A EP1004821B1 EP 1004821 B1 EP1004821 B1 EP 1004821B1 EP 99811040 A EP99811040 A EP 99811040A EP 99811040 A EP99811040 A EP 99811040A EP 1004821 B1 EP1004821 B1 EP 1004821B1
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- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
- B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
- B05B1/26—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means with means for mechanically breaking-up or deflecting the jet after discharge, e.g. with fixed deflectors; Breaking-up the discharged liquid or other fluent material by impinging jets
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
- F23D11/24—Burners 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
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
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- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
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- F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
- F23D2900/11002—Liquid fuel burners with more than one nozzle
Definitions
- the invention relates to a burner with a device for atomization liquid fuel for in a furnace, preferably for a Combustion chamber of a gas turbine plant, with a nozzle arrangement through which the liquid fuel pressurized passes and to a fuel / air mixture is atomized.
- both the constructive design of all individual components of a gas turbine as well as their operation plays in the fuel combustion the sputtering process in which the liquid fuel to a possible homogeneous fuel / air mixture is to be atomized, a very crucial Role.
- the liquid fuel to atomize in the finest possible fuel droplets in order to achieve this To achieve the largest possible fuel surface.
- single-stage atomizers will be used exclusively in so-called Silo combustion chambers used in which a Brennerstufung is provided, whereas multi-stage atomizer units, such as air-assisted and compressed air-assisted Atomizers are commonly used in ring combustors.
- liquid fuel atomizer units underlying problem are the very different fuel flow rates, with which the atomizer units during the operation of a gas turbine plant, starting with the ignition event until reaching the base load operation, be supplied. So fuel flow rates are under typical Ignition conditions by a factor of 10 to 20 smaller than under base load conditions. It is also associated with the fact that the pressure conditions within the gas turbine plant are subject to major changes that are up to more than that Change factor 100. Thus, typical pressure values for the atomization of Liquid fuel under base load conditions about 60 bar, whereas the atomization pressure under ignition conditions drops to 300 to 600 mbar, ie Pressure conditions achieved, which include the use of atomizing nozzles for operation under base load conditions are impossible.
- JP 05141622 A shows a burner arrangement with two individual nozzles for atomization liquid fuel, which are aligned such that From the nozzle outlet openings exiting fuel sprays collide with each other.
- GB 621785 A also relates to a single nozzle arrangement, while in the FR 1026664 A on a spray nozzle arrangement for generating a water droplet mixture is turned off. From both solutions it is known that by means of On each other aligned liquid sprays a finer atomization can be achieved can.
- the invention has for its object to provide a burner with a device for Atomization of liquid fuel for a firing plant, preferably for a combustion chamber of a gas turbine plant, with a nozzle arrangement through passing the liquid fuel pressurized and to a fuel / air mixture is sprayed so indicate that despite the above-described large differences in pressure a single atomizing unit is sufficient which required for an optimized combustion of liquid fuel Atomization takes place. It is intended to a well-known multiple graduation the atomizer units are dispensed with. In particular, the required for this Atomizer device possess a simple construction and with only minor Costs associated. The atomization rate as well as the achievable Fuel droplet diameter should both for the ignition and the Base load operation be optimally adaptable.
- a device according to the preamble of claim 1 according to the invention further developed in such a way that the nozzle arrangement at the outlet of one of two Operakegelkörpem existing cone body of a burner is arranged, wherein the at least two Düsenauslassö réelleen on the peripheral edge of the burner outlet so are positioned so that the fuel sprays in the middle of the Brenn Lucasstrittes come into collision that at the collision of fuel sprays a cloud of droplets arises with new fuel droplets whose diameter is smaller than that is the colliding fuel droplets and the one main propagation direction which runs in the direction of the bisector of that angle, which is trapped by the colliding fuel sprays.
- the fuel sprays whose individual fuel droplets are typically droplet diameter in the order of 1 to 5 mm are preferably of a two-dimensional spray form whose directions of propagation are set relative to each other so that they are pointed under a Cut angles.
- Collisions occur between the respective fuel droplets, which too smallest droplets of fuel droplets lead, which preferably a propagation direction take along the bisecting line, between the Propagation directions of the collided two-dimensional Fuel sprays, is oriented.
- the collision geometry is typically based on the individual combustor geometry adapted by ring combustion chambers so that the finest fuel droplets in the direction of the combustion chamber to the subsequent inflammation.
- a nozzle arrangement according to the invention which after the above Atomization principle works, sees at least two spatially separated nozzle outlet which are oriented relative to each other so that the with different directions spreading fuel sprays in one Penetrate area within which the fuel droplets from the respective Fuel sprays collide with each other.
- the nozzle outlet openings are so oriented relative to each other, that the propagation directions of the from the Düsenauslrawö Maschinenen leaking fuel sprays include an angle a, for the 0 ° ⁇ ⁇ 180 ° applies.
- This type of burner is considered a successful output type of burners used for lighting are designed with liquid fuels.
- This is the liquid fuel by means of a centrally arranged to the cone cavity nozzle assembly and in Form of a conically forming fuel spray into the interior of the Combustion chamber introduced.
- the cone-shaped fuel spray gets tangential from one flowing into a conical cavity, rotating combustion air flow enclosed and thereby stabilized. Only in the area of the vortex burst, So in the so-called sudströmzone, the optimal, homogeneous Fuel concentration reached over the cross section, so that in this area the ignition of the fuel spray takes place.
- Fig. 1a is schematically a consisting of two Operakegelkörpem 1 cone body of a burner, which results, for example, from EP 0 321 809 B1.
- At the burner outlet 2 are in the embodiment shown in Fig. 1a two separate Düsenauslrawö réelleen 3 and 4 provided by the liquid fuel in each case fan-shaped spreading fuel sprays 5, 6 atomized becomes.
- the fuel sprays 5, 6 have macroscopic fuel droplets 16 with typical fuel droplet diameters between 1 and 5 mm up.
- the propagation directions of both fuel sprays 5, 6 are such oriented that they penetrate in a narrow volume range 7.
- the at the collision forming microscopic fuel droplets 17 preferably spread along the bisector 8 relative to both Hauptausbreitungsschen the Fuel sprays 5, 6 off. It forms one of the smallest liquid droplets existing droplet cloud 9, which within the combustion chamber for inflammation to bring is.
- Fig. 1b is a cross-sectional view through the droplet cloud 9 in the viewing direction the burner outlet 2 shown. From the Düsenauslndö Stamm 3, 4 Fan-shaped fuel sprays 5, 6 exit in the direction of propagation the droplet cloud 9 collided.
- nozzle outlet openings 3, 4 can be distributed several times on the peripheral edge of the burner exit 2 are attached to the collision-causing droplet density within the volume range 7 further increase.
- Such a nozzle arrangement in addition to that not shown in Fig. 1a provide central nozzle assembly within the conical burner.
- the colliding fuel sprays 5, 6 should be the width of a fan-shaped, two-dimensional Fuel sprays 5, which collide with a second fuel spray 6, approximately on the order of the cross-sectional area of all droplets per unit length that is, the colliding fuel sprays 5, 6 should bundled together as possible with low beam divergence, as in the Embodiment according to FIG. 1c is shown.
- the two from the Düsenauslrawö Maschinenen 3, 4 leaking fuel sprays 5, 6 have a very much low beam divergence, so that they are tightly bundled in the middle of the burner outlet 2 in collision. In this way it is ensured that as possible many collision events between the macroscopic fuel droplets 16 of a fuel spray 5 with the macroscopic fuel droplets 16 the other fuel spray 6 take place.
- nozzle arrangements shown in Figs. 1a to c must be with a large geometric Care be arranged spatially to each other, so that from the Nozzle outlet openings 3, 4 exiting fuel sprays 5, 6 in a suitable manner are directed towards each other and can get into collision.
- the idea underlying the invention is the generation of very small liquid droplets, whose droplet diameters are smaller by up to 3 orders of magnitude, as the liquid droplets generated by conventional spraying. This happens by - deviating from the conventional approach of atomization of liquid by means of air - two liquid droplets targeted in collision which in turn are brought into a variety of smallest liquid droplets bursting.
- burners for gas turbine plants both for the ignition phase as well as for the base load operation with only one, simply designed in the structure To provide nozzle arrangement.
- By the measure according to the invention it is possible to increase the efficiency of gas turbines without sacrificing the constructive and increase associated financial expense.
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner mit einer Vorrichtung zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffs für in eine Feuerungsanlage, vorzugsweise für eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage, mit einer Düsenanordnung, durch die der flüssige Brennstoff druckbeaufschlagt hindurchtritt und zu einem Brennstoff/Luft-Gemisch zerstäubt wird.The invention relates to a burner with a device for atomization liquid fuel for in a furnace, preferably for a Combustion chamber of a gas turbine plant, with a nozzle arrangement through which the liquid fuel pressurized passes and to a fuel / air mixture is atomized.
Neben einer Vielzahl den Wirkungsgrad einer Gasturbine bestimmenden Parametem, die sowohl die konstruktive Auslegung aller Einzelkomponenten einer Gasturbine als auch deren Betriebsweise betreffen, spielt bei der Brennstoffverfeuerung der Zerstäubungsvorgang, bei dem der Flüssigbrennstoff zu einem möglichst homogenen Brennstoff/Luft-Gemisch zerstäubt werden soll, eine sehr entscheidende Rolle. Um die Verbrennung von Flüssigbrennstoff möglichst vollständig durchführen zu können, ist es Aufgabe der Brennstoffdüsen, den Flüssigbrennstoff in möglichst feinste Brennstofftröpfchen zu zerstäuben, um auf diese Weise eine möglichst große Brennstoffoberfläche zu erzielen.In addition to a large number of parameters determining the efficiency of a gas turbine, both the constructive design of all individual components of a gas turbine as well as their operation, plays in the fuel combustion the sputtering process in which the liquid fuel to a possible homogeneous fuel / air mixture is to be atomized, a very crucial Role. To complete the combustion of liquid fuel as completely as possible To carry out, it is the task of the fuel nozzles, the liquid fuel to atomize in the finest possible fuel droplets, in order to achieve this To achieve the largest possible fuel surface.
Die einfachsten und kostengünstigsten Brennstoffzerstäuber für Flüssigbrennstoff
stellen druckbeaufschlagte Brennstoffzerstäuber dar, durch die der Brennstoff unter
hohem Druck durch eine Düsenöffnung getrieben wird. Derartige, sogenannte
SIMPLEX-Zerstäuberdüsen werden bei Brennkammerbetriebskonzepten mit Brennerstufung
eingesetzt und eignen sich für den gesamten Leistungsbereich einer
Gasturbine, d.h. vom Zündvorgang bis hin zum Erreichen des Grundlastbetriebes.
Jedoch ist der Einsatz von Brennerstufung aufgrund der hohen Anforderungen an
den Zündvorgang sowie an den durchschnittlichen Temperaturdifferenzfaktor
(OTDF) im Bereich des Turbineneintritts sehr stark begrenzt. So gilt für den Temperaturdifferenzfaktor
OTDF:
- TMAX
- Maximale Temperatur am Turbineneintritt
-
T H - Durchschnittstemperatur am Turbineneintritt
- TC
- Lufttemperatur am Brennkammereintritt (vor der Verbrennung)
- T MAX
- Maximum temperature at the turbine inlet
-
T H - Average temperature at the turbine inlet
- T C
- Air temperature at the combustion chamber inlet (before combustion)
Als Folge hiervon werden Einstufen-Zerstäuber ausschließlich in sogenannten Silo-Brennkammern verwendet, in denen eine Brennerstufung vorgesehen ist, wohingegen vielstufige Zerstäubereinheiten, wie luftunterstützte sowie druckluftunterstützte Zerstäuber häufig in Ring-Brennkammern eingesetzt werden.As a consequence, single-stage atomizers will be used exclusively in so-called Silo combustion chambers used in which a Brennerstufung is provided, whereas multi-stage atomizer units, such as air-assisted and compressed air-assisted Atomizers are commonly used in ring combustors.
Das der Konzeption und Auslegung von Flüssigbrennstoffzerstäuber-Einheiten zugrundeliegende Problem sind die überaus unterschiedlichen Brennstoffzuflußraten, mit denen die Zerstäubereinheiten während des Betriebes einer Gasturbinenanlage, beginnend mit dem Zündereignis bis hin zum Erreichen des Grundlastbetriebes, versorgt werden. So sind Brennstoffzuflußraten unter typischen Zündbedingungen um den Faktor 10 bis 20 kleiner als unter Grundlastbedingungen. Auch ist damit verbunden, daß die Druckverhältnisse innerhalb der Gasturbinenanlage großen Änderungen unterworfen sind, die sich bis um mehr als den Faktor 100 ändern. So betragen typische Druckwerte für die Zerstäubung von Flüssigbrennstoff unter Grundlastbedingungen ca. 60 bar, wohingegen der Zerstäubungsdruck unter Zündbedingungen auf 300 bis 600 mbar absinkt, also Druckbedingungen erreicht, die den Einsatz von Zerstäuberdüsen, die für den Betrieb unter Grundlastbedingungen konzipiert sind, unmöglich macht.The conception and design of liquid fuel atomizer units underlying problem are the very different fuel flow rates, with which the atomizer units during the operation of a gas turbine plant, starting with the ignition event until reaching the base load operation, be supplied. So fuel flow rates are under typical Ignition conditions by a factor of 10 to 20 smaller than under base load conditions. It is also associated with the fact that the pressure conditions within the gas turbine plant are subject to major changes that are up to more than that Change factor 100. Thus, typical pressure values for the atomization of Liquid fuel under base load conditions about 60 bar, whereas the atomization pressure under ignition conditions drops to 300 to 600 mbar, ie Pressure conditions achieved, which include the use of atomizing nozzles for operation under base load conditions are impossible.
Die JP 05141622 A zeigt eine Brenneranordnung mit zwei Einzeldüsen zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffs, welche derart zueinander ausgerichtet sind, daß aus den Düsenauslassöffnungen austretende Brennstoffsprays miteinander kollidieren.JP 05141622 A shows a burner arrangement with two individual nozzles for atomization liquid fuel, which are aligned such that From the nozzle outlet openings exiting fuel sprays collide with each other.
Die GB 621785 A betrifft ebenfalls eine Einzeldüsenanordnung, während bei der FR 1026664 A auf eine Spritzdüsenanordnung zum Erzeugen eines Wassertropfenluft-Gemisches abgestellt wird. Aus beiden Lösungen ist bekannt, daß mittels aufeinader ausgerichteter Flüssigkeitssprays eine feinere Zerstäubung erzielt werden kann.GB 621785 A also relates to a single nozzle arrangement, while in the FR 1026664 A on a spray nozzle arrangement for generating a water droplet mixture is turned off. From both solutions it is known that by means of On each other aligned liquid sprays a finer atomization can be achieved can.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner mit einer Vorrichtung zur Zerstäubung flüssigen Brennstoffes für eine Feuerungsanlage, vorzugsweise für eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage, mit einer Düsenanordnung, durch die der flüssige Brennstoff druckbeaufschlagt hindurchtritt und zu einem Brennstoff/Luft-Gemisch zerstäubt wird, derart anzugeben, daß trotz der vorstehend beschriebenen großen Druckunterschiede eine einzige Zerstäubungseinheit ausreicht, welche die für eine optimierte Verbrennung flüssigen Brennstoffs erforderliche Zerstäubung vornimmt. Es soll dabei auf eine an sich bekannte Vielfachabstufung der Zerstäubereinheiten verzichtet werden. Insbesondere soll die hierfür erforderliche Zerstäubervorrichtung einen einfachen Aufbau besitzen und mit nur geringen Herstellkosten verbunden sein. Die Zerstäubungsrate sowie die erzielbaren Brennstofftröpfchendurchmesser sollen sowohl für den Zündvorgang als auch den Grundlastbetrieb optimal anpaßbar sein.The invention has for its object to provide a burner with a device for Atomization of liquid fuel for a firing plant, preferably for a combustion chamber of a gas turbine plant, with a nozzle arrangement through passing the liquid fuel pressurized and to a fuel / air mixture is sprayed so indicate that despite the above-described large differences in pressure a single atomizing unit is sufficient which required for an optimized combustion of liquid fuel Atomization takes place. It is intended to a well-known multiple graduation the atomizer units are dispensed with. In particular, the required for this Atomizer device possess a simple construction and with only minor Costs associated. The atomization rate as well as the achievable Fuel droplet diameter should both for the ignition and the Base load operation be optimally adaptable.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.The solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1.
Die Erfindung geht von dem Grundsatz aus, daß die minimale Tröpfchengröße,
die bei einer Zerstäubung einer Flüssigkeit mit einer druckbeaufschlagten Zerstäubereinheit
erreichbar ist, durch das Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung,
die ein Tröpfchen in seiner sphärischen Form zusammenhält, und den aerodynamischen,
von außen auf das Tröpfchen einwirkenden Kräften, die die Form
des Tröpfchens zu zerstören vermögen, bestimmt wird. So dominieren bei großen
Tröpfchendurchmessern die aerodynamischen Kräfte, wodurch die großen Tröpfchen
nach dem Zerstäubungsvorgang regelrecht auseinandergerissen werden
und in kleinere Tröpfchen zerfallen. Dieser Vorgang des Zerplatzens in kleinere
Tröpfchen erfolgt solange bis die Oberflächenspannung im Verhältnis zu den aerodynamischen
Kräften genügend groß wird, daß ein weiterer Zerfall in noch kleinere
Brennstofftröpfchen verhindert wird. Dieser Zerfallsprozeß führt zu einem Tröpfchendurchmesser,
der durch nachfolgenden Zusammenhang beschrieben werden
kann:
- γ
- kinematische Oberflächenspannung
- ρLIQUID
- Dichte der zerstäubten Flüssigkeit
- ρGAS
- Dichte des Umgebungsgases
- u 2 / R
- Relativgeschwindigkeit zwischen Tröpfchen und Umgebungsgas
- C
- Konstante
- γ
- kinematic surface tension
- ρ LIQUID
- Density of the atomized liquid
- ρ GAS
- Density of the ambient gas
- u 2 / R
- Relative velocity between droplets and ambient gas
- C
- constant
Aus der obenstehenden Beziehung geht hervor, daß sich der Tröpfchendurchmesser D reziprok zum Quadrat der Relativgeschwindigkeit zwischen den zerstäubten Tröpfchen und des die Tröpfchen umgebenden Gases verhält. Ist hingegen der für den Zerstäubungsprozeß notwendige Versorgungsdruck, mit dem bspw. der Flüssigbrennstoff der Zerstäubungsdüse zugeführt wird, begrenzt, so werden nur geringe Relativgeschwindigkeiten u erreicht, wodurch die Minimierung der Tröpfchengröße im Hinblick auf möglichst feinste Zerstäubung unbefriedigend ist. Dies gilt insbesondere bei Gasturbinen während ihrer Zündphase, in der der Versorgungsdruck innerhalb der Turbine relativ gering ist.From the above relationship, it is apparent that the droplet diameter D reciprocal to the square of the relative velocity between the atomized Droplets and the surrounding gas droplets behaves. Is the other hand for the atomization process necessary supply pressure, with the example. The liquid fuel the atomizing nozzle is limited, so are only small Relative velocities are reached, thereby minimizing the droplet size unsatisfactory in terms of finest possible atomization. This especially applies to gas turbines during their ignition phase, in which the supply pressure within the turbine is relatively low.
Um unter den für den Zerstäubungsprozeß schwierigen Druckbedingungen dennoch eine zufriedenstellende Zerstäubung des Flüssigbrennstoffes zu erreichen, wird eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß derart weitergebildet, daß die Düsenanordnung am Austritt eines aus zwei Teilkegelkörpem bestehenden Kegelkörpers eines Brenners angeordnet ist, wobei die wenigstens zwei Düsenauslassöffnungen am Umfangsrand des Brenneraustritt so positioniert sind, dass die Brennstoffsprays in der Mitte des Brenneraustrittes derart in Kollision geraten, dass bei der Kollision der Brennstoffsprays eine Tröpfchenwolke mit neuen Brennstofftröpfchen entsteht, deren Durchmesser kleiner als der der kollidierenden Brennstofftröpfchen ist und die eine Hauptausbreitungsrichtung aufweist, die in Richtung der Winkelhalbierenden jenes Winkels verläuft, der von den in Kollision geratenden Brennstoffsprays eingeschlossen ist.Nevertheless, under the pressure conditions that are difficult for the atomization process to achieve a satisfactory atomization of the liquid fuel, a device according to the preamble of claim 1 according to the invention further developed in such a way that the nozzle arrangement at the outlet of one of two Teilkegelkörpem existing cone body of a burner is arranged, wherein the at least two Düsenauslassöffnungen on the peripheral edge of the burner outlet so are positioned so that the fuel sprays in the middle of the Brenneraustrittes come into collision that at the collision of fuel sprays a cloud of droplets arises with new fuel droplets whose diameter is smaller than that is the colliding fuel droplets and the one main propagation direction which runs in the direction of the bisector of that angle, which is trapped by the colliding fuel sprays.
Im Gegensatz zu der verbreiteten Vorstellung des natürlichen Tröpfchenzerfalls durch das Wechselspiel zwischen den Oberflächenspannungen und den an den einzelnen Tröpfchen angreifenden aerodynamischen Kräften macht sich das erfindungsgemäße Verfahren die gezielte Kollision von Brennstofftröpfchen nach ihrer Bildung im Rahmen des Zerstäubungsprozesses zunutze.In contrast to the widespread idea of natural droplet decay by the interplay between the surface tensions and the at the individual droplets attacking aerodynamic forces makes the inventive Process the targeted collision of fuel droplets after their Use education as part of the sputtering process.
Mittels gezielter Kollision zwischen Brennstrofftröpfchen, die mit einem Zerstäubungsdruck
von ca. 500 mbar, also einem für das Zünden einer Gasturbine üblichen
Druck, unter Verwendung einer einfachen Düsenanordnung gebildet werden
und typische Tröpfchendurchmesser im Bereich zwischen 2 und 5 mm aufweisen,
ist es möglich, kleinste Tröpfchen mit Durchmessern zwischen 10 bis 100 µm zu
erhalten, die als "Bruchstücke" aus den kollidierenden Tröpfchen hervorgehen.
Der auf dem Vorgang der Kollision beruhende nachgeschaltete "Zerstäubungsvorgang"
in noch kleinere Tröpfchenfragmente entspricht nicht der obenstehenden
Beziehung (1), da der physikalische Mechanismus, der zur Tröpfchenverkleinerung
beiträgt, nicht auf dem Wechselspiel zwischen der Oberflächenspannung und
der an den einzelnen Tröpfchen angreifenden aerodynamischen Kräften beruht,
sondern auf der Kollision zweier Tröpfchen, die aus dem gleichen Medium, im Falle
der Zerstäubung von Brennstoff, aus einer brennbaren Flüssigkeit bestehen.
Vielmehr vereinfacht sich der Formelzusammenhang (1) zu nachstehender Beziehung:
Aufgrund des Wegfalls der Dichtefaktoren in der Formel (2) kann ein minimaler Tröpfchendurchmesser gewonnen werden, der im Vergleich zur klassischen Tröpfchenbildung gemäß Beziehung (1) um zwei bis drei Größenordnungen kleiner ist. Diese Kenntnis über die Zerstäubung von Flüssigkeit läßt sich erfindungsgemäß besonders geeignet bei der Brennstoffzerstäubung für den Einsatz in Gasturbinen anwenden, insbesondere im Hinblick auf die nur geringen Druckverhältnisse, wie sie bei der Zündphase von Gasturbinen auftreten.Due to the elimination of the density of the factors in formula (2), a minimum droplet diameter can be obtained, the r compared to the classical T öpfchenbildung relationship (1) is smaller in accordance with two to three orders of magnitude. This knowledge about the atomization of liquid can be used according to the invention particularly suitable in fuel atomization for use in gas turbines, in particular with regard to the only low pressure conditions, such as occur in the ignition phase of gas turbines.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, kleinste Brennstofftröpfchen mittels Kollision herzustellen, beruht zunächst auf der Bildung wenigstens zweier Brennstoffsprays, die im Rahmen herkömmlicher Zerstäubungstechniken erzeugbar sind. Die Brennstoffsprays, deren einzelne Brennstofftröpfchen typischerweise Tröpfchendurchmesser in der Größenordnung zwischen 1 und 5 mm aufweisen, sind bevorzugt von einer zweidimensionalen Sprühnebelform, deren Ausbreitungsrichtungen derart relativ zueinander eingestellt sind, daß sie sich unter einem spitzen Winkel schneiden. Im Bereich der sich gegenseitig durchdringenden Brennstoffsprays treten Kollisionen zwischen den jeweiligen Brennstofftröpfchen auf, die zu kleinsten Brennstofftröpfchenbruchstücken führen, welche bevorzugt eine Ausbreitungsrichtung einnehmen, die entlang der Winkelhalbierenden, zwischen den Ausbreitungsrichtungen der miteinander in Kollision geratenen zweidimensionalen Brennstoffsprays, orientiert ist.A particularly advantageous possibility, smallest fuel droplets by collision initially based on the formation of at least two fuel sprays, which can be produced in the context of conventional atomization techniques. The fuel sprays, whose individual fuel droplets are typically droplet diameter in the order of 1 to 5 mm are preferably of a two-dimensional spray form whose directions of propagation are set relative to each other so that they are pointed under a Cut angles. In the field of interpenetrating fuel sprays Collisions occur between the respective fuel droplets, which too smallest droplets of fuel droplets lead, which preferably a propagation direction take along the bisecting line, between the Propagation directions of the collided two-dimensional Fuel sprays, is oriented.
Die Kollisionsgeometrie ist typischerweise an die individuelle Brennkammergeometrie von Ringbrennkammern derart angepaßt, so daß die feinsten Brennstofftröpfchen in Richtung Brennkammer zur nachfolgenden Entzündung gelangen.The collision geometry is typically based on the individual combustor geometry adapted by ring combustion chambers so that the finest fuel droplets in the direction of the combustion chamber to the subsequent inflammation.
Eine erfindungsgemäße Düsenanordnung, die nach dem vorstehend beschriebenen Zerstäubungsprinzip arbeitet, sieht wenigstens zwei räumlich getrennte Düsenauslaßöffnungen vor, die derart relativ zueinander orientiert sind, daß sich die mit jeweils unterschiedlichen Richtungen ausbreitenden Brennstoffsprays in einem Bereich durchdringen, innerhalb dem die Brennstofftröpfchen aus den jeweiligen Brennstoffsprays miteinander kollidieren. So sind die Düsenauslaßöffnungen derart relativ zueinander orientiert, daß die Ausbreitungsrichtungen der aus den Düsenauslaßöffnungen austretenden Brennstoffsprays einen Winkel a einschließen, für den 0° < α < 180° gilt.A nozzle arrangement according to the invention, which after the above Atomization principle works, sees at least two spatially separated nozzle outlet which are oriented relative to each other so that the with different directions spreading fuel sprays in one Penetrate area within which the fuel droplets from the respective Fuel sprays collide with each other. Thus, the nozzle outlet openings are so oriented relative to each other, that the propagation directions of the from the Düsenauslaßöffnungen leaking fuel sprays include an angle a, for the 0 ° <α <180 ° applies.
Die vorstehend beschriebenen Vorkehrungen zur Erzeugung kleinster Brennstofftröpfchen eignen sich besonders für den Einsatz in Doppelkegelbrennern, von denen ein bevorzugtes Beispiel aus der EP 0 321 809 B1 hervorgeht.The above-described provisions for producing smallest fuel droplets are particularly suitable for use in double-cone burners, of which a preferred example from EP 0 321 809 B1 is apparent.
Diese Brennerart gilt als erfolgreicher Ausgangstyp von Brennern, die zur Befeuerung mit flüssigen Brennstoffen ausgelegt sind. Hierbei wird der flüssige Brennstoff mittels einer mittig zum Kegelhohlraum angebrachten Düsenanordnung und in Form eines sich kegelförmig ausbildenden Brennstoffsprays in das Innere der Brennkammer eingebracht. Der kegelförmige Brennstoffspray wird von einem tangential in einen Kegelhohlraum einströmenden, rotierenden Verbrennungsluftstrom umschlossen und dadurch stabilisiert. Erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der sogenannten Rückströmzone, wird die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht, so daß in diesem Bereich die Zündung des Brennstoffsprays erfolgt.This type of burner is considered a successful output type of burners used for lighting are designed with liquid fuels. This is the liquid fuel by means of a centrally arranged to the cone cavity nozzle assembly and in Form of a conically forming fuel spray into the interior of the Combustion chamber introduced. The cone-shaped fuel spray gets tangential from one flowing into a conical cavity, rotating combustion air flow enclosed and thereby stabilized. Only in the area of the vortex burst, So in the so-called Rückströmzone, the optimal, homogeneous Fuel concentration reached over the cross section, so that in this area the ignition of the fuel spray takes place.
In Ergänzung zur Düsenanordnung des vorstehend beschriebenen Brenners oder aber auch anstelle der in dem bekannten Brenner verwendeten Düsenanordnung kann die vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubung von Flüssigbrennstoff eingesetzt werden, die selbst zum Zeitpunkt des Zündvorganges kleinste Brennstofftröpfchen zu erzeugen in der Lage ist. Auf mögliche Ausführungsbeispiele und Bauvarianten wird in den nachstehenden Ausführungsbeispielen verwiesen, die zusammen mit den Figuren näher erläutert werden.In addition to the nozzle assembly of the burner described above or but also instead of the nozzle arrangement used in the known burner can the above-described inventive device for atomization be used by liquid fuel, even at the time of Ignition process to produce smallest fuel droplets is able. On possible embodiments and construction variants will be in the following Referenced embodiments, which together with the figures explained in more detail become.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1a
- Längsschnittdarstellung durch eine an sich bekannte Brenneranordnung mit zwei Düsenauslaßöffnungen;
- Fig. 1b
- Querschnittsdarstellung durch den Brenneraustritt einer an sich bekannten Brenneranordnung mit zwei Düsenauslaßöffnungen, durch die zwei aufgefächerte Brennstoffsprays zur Kollision auftreten;
- Fig. 1c
- Querschnittsdarstellung wie in Fig. 1b nur mit niederdivergenten Brennstoffsprays, und
- Fig. 1a
- Longitudinal section through a known burner arrangement with two Düsenauslaßöffnungen;
- Fig. 1b
- Cross-sectional view through the burner outlet of a known burner assembly with two Düsenauslaßöffnungen through which two fanned fuel sprays to collision occur;
- Fig. 1c
- Cross-sectional view as in Fig. 1b only with low-divergent fuel sprays, and
In Fig. 1a ist schematisiert ein aus zwei Teilkegelkörpem 1 bestehender Kegelkörper
eines Brenners dargestellt, der beispielsweise aus der EP 0 321 809 B1 hervorgeht.
Am Brenneraustritt 2 sind in dem in Fig. 1a dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei getrennte Düsenauslaßöffnungen 3 und 4 vorgesehen, durch die Flüssigbrennstoff
in sich jeweils fächerförmig ausbreitende Brennstoffsprays 5, 6 zerstäubt
wird. Dabei weisen die Brennstoffsprays 5, 6 makroskopische Brennstofftröpfchen
16 mit typischen Brennstofftröpfchendurchmessern zwischen 1 und
5 mm auf. Die Ausbreitungsrichtungen beider Brennstoffsprays 5, 6 sind derart
orientiert, daß sie sich in einem eng begrenzten Volumenbereich 7 durchdringen.
Im Volumenbereich 7 geraten die makroskopischen Brennstofftröpfchen 16 der
beiden Brennstoffsprays 5, 6 in Kollision und platzen regelrecht in eine Vielzahl
kleinerer Brennstofftröpfchen 17 auseinander, die typischerweise jeweils Tröpfchendurchmesser
zwischen 10 und 100 µm aufweisen. Die sich bei der Kollision
bildenden mikroskopischen Brennstofftröpfchen 17 breiten sich bevorzugt entlang
der Winkelhalbierenden 8 relativ zu beiden Hauptausbreitungsrichtungen der
Brennstoffsprays 5, 6 aus. Es bildet sich eine aus kleinsten Flüssigkeitströpfchen
bestehende Tröpfchenwolke 9 aus, die innerhalb der Brennkammer zur Entzündung
zu bringen ist.In Fig. 1a is schematically a consisting of two Teilkegelkörpem 1 cone body
of a burner, which results, for example, from EP 0 321 809 B1.
At the
In Fig. 1b ist eine Querschnittsdarstellung durch die Tröpfchenwolke 9 in Blickrichtung
des Brenneraustritts 2 dargestellt. Aus den Düsenauslaßöffnungen 3, 4
treten fächerförmig die Brennstoffsprays 5, 6 aus, die in Ausbreitungsrichtung vor
der Tröpfchenwolke 9 in Kollision geraten.In Fig. 1b is a cross-sectional view through the droplet cloud 9 in the viewing direction
the
Die Düsenauslaßöffnungen 3, 4 können mehrfach verteilt auf dem Umfangsrand
des Brenneraustritts 2 angebracht werden, um die zur Kollision bringenden Tröpfchendichte
innerhalb des Volumenbereiches 7 weiter zu steigern. Insbesondere ist
eine derartige Düsenanordnung in Ergänzung zu der nicht in der Fig. 1a dargestellten
zentralen Düsenanordnung innerhalb des kegelförmigen Brenners vorzusehen.The
Bei der Auslegung der erfindungsgemäßen Düsenanordnung sind insbesondere
zwei Gesichtspunkte zu beachten:
Für die beste Wechselwirkung zwischen zwei in Kollision geratenden Brennstofftröpfchen
16 sollte die Breite eines fächerförmig ausgebildeten, zweidimensionalen
Brennstoffsprays 5, das mit einem zweiten Brennstoffspray 6 in Kollision gerät,
in etwa von der Größenordnung der Querschnittsfläche aller Tröpfchen pro Einheitslänge
sein, d.h., die in Kollision geratenden Brennstoffsprays 5, 6 sollten
möglichst gebündelt mit geringer Strahldivergenz aufeinandertreffen, wie es im
Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1c dargestellt ist. Die zwei aus den Düsenauslaßöffnungen
3, 4 austretenden Brennstoffsprays 5, 6 weisen eine nur sehr
geringe Strahldivergenz auf, so daß sie eng gebündelt in der Mitte des Brenneraustritts
2 in Kollision geraten. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß möglichst
viele Kollisionsereignisse zwischen den makroskopischen Brennstofftröpfchen 16
des einen Brennstoffsprays 5 mit den makroskopischen Brennstofftröpfchen 16
des anderen Brennstoffsprays 6 stattfinden.For the best interaction between two colliding
Alternativ zu der Anordnung der in Fig. 1c dargestellten Düsenauslaßöffnungen 3,
4, die diametral gegenüberliegend am peripheren Umfangsrand des Brenneraustritts
2 angebracht sind, können auch weitere Düsenauslaßöffnungen am Brenneraustritt
2 angebracht werden.Alternatively to the arrangement of the
Die in den Fig. 1a bis c dargestellten Düsenanordnungen müssen mit großer geometrischer
Sorgfalt räumlich zueinander angeordnet werden, so daß die aus den
Düsenauslaßöffnungen 3, 4 austretenden Brennstoffsprays 5, 6 in geeigneter Weise
zueinander gerichtet sind und in Kollision geraten können.The nozzle arrangements shown in Figs. 1a to c must be with a large geometric
Care be arranged spatially to each other, so that from the
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist die Erzeugung kleinster Flüssigkeitströpfchen, deren Tröpfchendurchmesser bis zu 3 Größenordnungen kleiner sind, als die mittels konventioneller Sprühtechnik erzeugten Flüssigkeitströpfchen. Dies geschieht, indem - abweichend von der konventionellen Vorgehensweise der Zerstäubung von Flüssigkeit mittels Luft - zwei Flüssigkeitströpfchen gezielt in Kollision gebracht werden, die wiederum in eine Vielzahl kleinster Flüssigkeitströpf chen zerplatzen. Unter Verwendung des vorstehend geschilderten Zerstäubungsprinzips ist es möglich, Brenner für Gasturbinenanlagen sowohl für die Zündphase als auch für den Grundlastbetrieb mit nur einer einzigen, einfach im Aufbau gestalteten Düsenanordnung zu versehen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, den Wirkungsgrad von Gasturbinen zu steigern, ohne dabei den konstruktiven und damit verbundenen finanziellen Aufwand zu erhöhen.The idea underlying the invention is the generation of very small liquid droplets, whose droplet diameters are smaller by up to 3 orders of magnitude, as the liquid droplets generated by conventional spraying. This happens by - deviating from the conventional approach of atomization of liquid by means of air - two liquid droplets targeted in collision which in turn are brought into a variety of smallest liquid droplets bursting. Using the above sputtering principle it is possible burners for gas turbine plants both for the ignition phase as well as for the base load operation with only one, simply designed in the structure To provide nozzle arrangement. By the measure according to the invention it is possible to increase the efficiency of gas turbines without sacrificing the constructive and increase associated financial expense.
- 11
- Teilkegelkörper des BrennersPart cone body of the burner
- 22
- Brenneraustrittburner outlet
- 3, 43, 4
- Düsenauslaßöffnungennozzle outlet
- 5, 65, 6
- Brennstoffsprayfuel spray
- 77
- Volumenbereichvolume range
- 88th
- Winkelhalbierendebisecting
- 99
- Tröpfchenwolkecloud droplets
- 1616
- Brennstofftröpfchen, makroskopischFuel droplets, macroscopic
- 1717
- Brennstofftröpfchen, mikroskopischFuel droplets, microscopic
Claims (2)
- Burner having a device for atomizing liquid fuel for a firing installation, preferably for a combustion chamber of a gas-turbine plant, having a nozzle arrangement through which the liquid fuel passes in a pressurized manner and is atomized to form a fuel spray, the nozzle arrangement having at least two spatially separate nozzle-outlet orifices (3, 4), which are oriented in such a way with respect to one another tht fuel sprays (5,6) emerging from the nozzle-outlet orifices (3, 4) collide with one another, characterized in that the nozzle arrangement is arranged at the outlet of a cone body, comprising at least two sectional cone bodies, of the burner, the at least two nozzle-outlet orifices (3, 4,) being positioned in such a way in the sectional cone bodies or at the peripheral edge of the burner outlet, (2) that the fuel sprays (5, 6) collide with one another in such a manner in the centre of the burner outlet (2) that, during the collision of the fuel sprays (5, 6), a droplet cloud (9) with new fuel droplets (17) is formed, the diameter of which fuel droplets (17) is smaller than that of the colliding fuel droplets (16) and which has a main spreading direction which runs in the direction of the angle bisector (8) of the angle included by the colliding fuel sprays (5, 6).
- Burner according to Claim 1, characterized in that the nozzle-outlet orifices (3, 4) in each case impose spreading directions on the forming fuel sprays (5, 6), the spreading directions enclosing an angle α, where 0° < α ≤ 180°.
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