Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine mit Flüssigbrennstoff betriebene, kombinierte Druckzerstäuberdüse
für Gasturbinenbrenner, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Eine schadstoffarme Verbrennung von flüssigen Brennstoffen, wie z.B. Heizöl extraleicht,
erfordert die vollständige Verdampfung der Brennstofftropfen sowie die Vormischung
des Brennstoffdampfes mit der Verbrennungsluft vor Erreichen der Flammenfront. Schon
kleine Zonen mit höherer Brennstoffkonzentration führen in der Reaktionszone zu erhöhten
Temperaturen und somit zur verstärkten Bildung von thermischen Stickoxiden. Ein Nachteil
mager vorgemischter Flammen ist es, dass die Flammentemperaturen sehr nahe an der
Löschgrenze liegen. Um bei geringer Last und somit geringerer Flammentemperatur einen
weiterhin stabilen Brennerbetrieb zu realisieren, ist eine gezielte Anreicherung der
Flammenstabilisierungszonen notwendig. Es besteht somit das Problem, mit einem Brenner
und einer Zerstäuberdüse einen weiten Betriebsbereich der Gasturbine abzudecken.
[0003] Die für eine gute Verteilung des Brennstoffes in der Verbrennungsluft erforderliche
Eindringtiefe des Brennstoffsprays in die Verbrennungsluft wird vor allem durch das
Verhältnis der Impulsströme von Verbrennungsluft und Brennstoff beeinflusst. Dieses
Verhältnis ändert sich mit den Betriebsbedingungen, d.h. infolge von Änderungen im
Brennstoff-Massenstrom, im Brennstoff-Druck sowie in der Temperatur und dem Druck
der Brennerluft. Die Verdampfungszeit des Brennstoffs hängt im wesentlichen von der
Zerstäubungsqualität, der Relativgeschwindigkeit zwischen Brennstoff und Luft sowie
den Umgebungsrandbedingungen wie Temperatur und Druck ab. Während letztere für die
unterschiedlichen Lastzustände durch den Gasturbinenprozess vorgegeben sind, werden
die Zerstäubungsqualität und die Relativgeschwindigkeit hauptsächlich durch die Zerstäuberdüse
bestimmt. Bei herkömmlichen Gasturbinenbrennern werden zum Ausgleich der sich ändernden
Umgebungsbedingungen rücklaufgeregelte Drallzerstäuber oder Zweistufen-Drallzerstäuber
eingesetzt. Da jedoch bei Dralldüsen keine gezielte Änderung der Eindüsungsrichtung
möglich ist, erlauben diese bekannten Zerstäuberdüsen lediglich eine grobe Anpassung
der Zerstäubungsqualität und des Brennstoffimpulses an die jeweiligen Lastbedingungen.
[0004] Eine Verbesserung ist mit der in der EP-A2-0 711 953 offenbarten Hochdruckzerstäuberdüse
zu erreichen, deren Austrittsöffnungen auf die Zonen hoher Luftgeschwindigkeit ausgerichtet
sind und bei denen der Winkel des Brennstoffsprays zur Achse des Brenners mindestens
so gross ist, wie der Kegelhalbwinkel des Brenners. Wie bereits der Name ausdrückt
ist zum Betrieb dieser insbesondere für einen aus der EP-B1-0 321 809 bekannten Doppelkegelbrenner
geeignete Druckzerstäuberdüse Hochdruck erforderlich. Dazu muss der Flüssigbrennstoff
mit einem Druck von mehr als 100 bar zugeführt werden, was jedoch einen erheblichen
Aufwand in der Auslegung des Brennstoffsystems erfordert. Zudem ist ebenfalls keine
Änderung der Eindüsungsrichtung sowie des Strahlprofils möglich.
[0005] Mit der DE-PS 862 599 ist ein kombinierter Zwei- bzw. Mehrstufen-Drallzerstäuber
bekannt, der jedoch ein für Gasturbinenbrenner ungeeignetes Impulsverhalten aufweist.
Zwar wird mit dem resultierenden Drallspray eine sehr feine Zerstäubung erreicht,
jedoch ist der Brennstoffimpuls zu gering, um eine ausreichende Verteilung der Brennstofftröpfchen
in der Verbrennungsluft und damit eine gute Vormischung zu erzielen.
Darstellung der Erfindung
[0006] Die Erfindung versucht diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde,
eine kombinierte Druckzerstäuberdüse für Gasturbinenbrenner zu schaffen, mit der eine
verbesserte Anpassung der Zerstäubungsqualität von Flüssigkeiten an die jeweiligen
Lastbedingungen, d.h. eine gute Vormischung über den gesamten Lastbereich realisiert
werden kann.
[0007] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, der zweite Zuführkanal zumindest zwei Austrittsöffnungen
zum Aussenraum besitzt. Dadurch ist die kombinierte Druckzerstäuberdüse als Mehrloch-Blendendüse
mit einer einfachen, zentralen Düse ausgebildet, welche neben der feinen Zerstäubung
des Flüssigbrennstoffs auch einen hohen Brennstoffimpuls gewährleistet. Auf diese
Weise können sowohl eine schnelle Verdampfung des Flüssigbrennstoffs als auch eine
gute Vormischung des Brennstoffsprays mit der Verbrennungsluft erreicht werden, weshalb
die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse insbesondere auch für Gasturbinenbrenner
geeignet ist. Zudem wird eine relativ einfach aufgebaute Druckzerstäuberdüse mit geringem
Platzbedarf geschaffen, deren Zweistufigkeit nur durch das zusätzliche Einbringen
der Austrittsöffnungen des zweiten Zuführkanals realisiert wird.
[0008] Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Eindüsen des Flüssigbrennstoffs
über einen Ringkanal (DE-PS 862 599) werden durch die erfindungsgemässen Austrittsöffnungen
mehrere separate Brennstoffsprays mit einem relativ engen Sprühkegel erzeugt. Diese
Brennstoffsprays besitzen jedoch einen deutlich höheren Impuls als ein ringförmiges
Brennstoffspray und weisen zudem eine grössere Relativgeschwindigkeit des Flüssigbrennstoffs
zur Verbrennungsluft auf. Deshalb kann mit dieser Lösung eine verbesserte Vormischung
erreicht werden. Bei einer der konkreten Betriebssituation entsprechenden Brennstoffverteilung
zwischen der Blendendüse und der zentralen Düse wird mit der Druckzerstäuberdüse sowohl
eine gezielte Einmischung des Flüssigbrennstoffs in die Verbrennungsluft als auch
eine Anpassung des Brennstoffimpulses an die erforderliche Eindringtiefe des Flüssigbrennstoffs
in die Verbrennungsluft ermöglicht. Über die zentrale Düse, d.h. durch den ersten
Zuführkanal, wird der Druckzerstäuberdüse ein solcher Massenstrom an Flüssigbrennstoff
zugeführt, welcher der benötigten Brennstoffmenge der Gasturbine bei Teillast entspricht.
[0009] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Austrittsöffnungen des zweiten Zuführkanals
gleichmässig verteilt auf dem Umfang des Düsenkörpers angeordnet sind. Diese Anordnung
sichert eine gleichmässige Brennstoffkonzentration in der Reaktionszone und verhindert
daher die verstärkte Bildung von Stickoxiden.
[0010] Der erste Zuführkanal ist im Inneren eines ersten Rohres und der zweite Zuführkanal
im Inneren eines zweiten Rohres ausgebildet. Beide Rohre sind konzentrisch zueinander
angeordnet und werden stromab von einem Deckel zum Aussenraum abgeschlossen. Der Deckel
sowie das erste Rohr sind einstückig ausgebildet. Dadurch kann die Druckzerstäuberdüse
relativ einfach montiert werden, indem das zweite Rohr bis zu seinem Anschlag am Deckel
auf das erste Rohr aufgeschoben wird. Anschliessend werden das zweite Rohr und der
Deckel fest miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschweissen.
[0011] Unmittelbar stromauf der Austrittsöffnungen des zweiten Zuführkanals ist vorteilhaft
eine Turbulenzkammer ausgebildet. Durch die zusätzliche Einbeziehung der Turbulenzkammer
in die Mehrloch-Blendendüse kann die Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs verbessert
werden. Die Turbulenzkammer ist vom zweiten Zuführkanal durch eine Zwischenwand abgetrennt.
In der Zwischenwand sind aussermittig des zweiten Zuführkanals zumindest zwei Turbulenzerzeugeröffnungen
angeordnet. Mit einer solchen unsymmetrischen Einleitung des Flüssigbrennstoffs in
die Turbulenzkammer kann eine höhere Turbulenz erreicht und dadurch die Zerstäubung
des Flüssigbrennstoffs weiter verbessert werden.
[0012] Besonders vorteilhaft sind die Turbulenzerzeugeröffnungen versetzt zu den Austrittsöffnungen
des zweiten Zuführkanals angeordnet. Dabei beträgt die Versetzung bei jeweils vier
Turbulenzerzeugeröffnungen bzw. Austrittsöffnungen vorzugsweise ca. 45°, so dass die
Anordnung der Turbulenzerzeugeröffnungen genau mittig zwischen den Austrittsöffnungen
erfolgt. Dies führt zu einer intensiveren, kleinskaligen und turbulenten Struktur,
d.h. zu einem sehr feinen Brennstoffspray.
[0013] Die mit der zusätzlichen Turbulenzkammer ausgeführten Druckzerstäuberdüse kann ebenfalls
relativ einfach montiert werden. Dazu sind der Deckel, das erste Rohr sowie die Zwischenwand
einstückig ausgebildet, so dass diese Bauteile gemeinsam, gewissermassen als Einsatz,
in das zweite Rohr eingeführt werden können. Abschliessend werden das erste Rohr und
der Deckel, beispielsweise durch Verschweissen, fest miteinander verbunden.
[0014] Altemativ zu einer einfachen, zentralen Düse ist zwischen dem ersten Zuführkanal
sowie der Austrittsöffnung entweder eine Drallkammer oder eine Turbulenzkammer ausgebildet.
Im ersten Fall, d.h. bei Verwendung einer Dralldüse, wird ein Drallspray mit einem
relativ weiten Sprühkegel erzeugt, so dass auch bei Teillast eine hohe Brennstoffkonzentration
im Zentrum des Brenners sowie eine ausreichende Verdampfung des Brennstoffs erreicht
werden kann. Dies ermöglicht auch im Teillastbereich der Gasturbine einen stabilen
Brennerbetrieb. Wird dagegen eine Turbulenzdüse als zentrale Düse eingesetzt, so kann
bei gleichbleibend guter Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs ein engerer Spraywinkel
realisiert werden. Auf diese Weise kann die Brennstoffkonzentration im Zentrum des
Brenners weiter erhöht und dadurch der Brennerbetrieb bei Teillast zusätzlich stabilisiert
werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0015] In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer kombinierten
Druckzerstäuberdüse für Gasturbinenbrenner dargestellt.
[0016] Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Teillängsschnitt der Druckzerstäuberdüse, einschliesslich der Darstellung des
Brennstoffsprays bei Vollastbetrieb;
- Fig. 2
- einen Querschnitt durch die Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1, entlang der Linie II-II;
- Fig. 3
- einen Querschnitt durch die Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1, entlang der Linie III-III;
- Fig. 4
- eine Darstellung gemäss Fig. 1, jedoch mit einer Darstellung des Brennstoffsprays
bei Teillastbetrieb;
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung des Flüssigkeitszufuhrsystems zur Druckzerstäuberdüse,
wobei jeweils Flüssigbrennstoff (Brennöl) zerstäubt wird;
- Fig. 6
- eine schematische Darstellung des Flüssigkeitszufuhrsystems zur Druckzerstäuberdüse,
wobei unterschiedliche Flüssigkeiten (Brennöl, Wasser) zerstäubt werden;
- Fig. 7
- einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse, mit einer Turbulenz kammer im äusserenen
Zuführkanal;
- Fig. 8
- einen Querschnitt durch die Druckzerstäuberdüse nach Fig. 7, entlang der Linie VIII-VIII;
- Fig. 9
- einen Querschnitt durch die Druckzerstäuberdüse nach Fig. 7, entlang der Linie IX-IX;
- Fig. 10
- einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse, mit radialen Austrittsöffnungen
des äusserenen Zuführkanals;
- Fig. 11
- einen Querschnitt durch die Druckzerstäuberdüse nach Fig. 10, entlang der Linie X-X;
- Fig. 12
- einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse, gemäss einem nächsten Ausführungsbeispiel,
bei Teillastbetrieb;
- Fig. 13
- einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse, gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- Fig. 14
- einen Teillängsschnitt einer Druckzerstäuberdüse, gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel,
bei Teillastbetrieb.
[0017] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Nicht dargestellt ist beispielsweise der die Druckzerstäuberdüse aufnehmende Gasturbinenbrenner.
Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0018] Der nicht dargestellte, die Druckzerstäuberdüse aufnehmende Gasturbinenbrenner ist
beispielsweise als ein Doppelkegelbrenner ausgebildet, wie er aus dem EP-B1-0 321
809 bekannt ist. Natürlich ist die Druckzerstäuberdüse prinzipiell auch für andere
Gasturbinenbrenner geeignet, so z.B. für den aus dem EP-A2-0 704 657 bekannten, aus
einem Drallerzeuger mit anschliessender Mischstrecke bestehenden Brenner. Die Druckzerstäuberdüse
weist einen Düsenkörper 1 mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Rohren 2,
3 auf, die stromab von einem konischen Deckel 4 zu einem Aussenraum 5 abgeschlossen
werden. Dabei ist der Aussenraum 5 der Druckzerstäuberdüse gleichzeitig der Innenraum
des Gasturbinenbrenners. Der Düsenkörper 1 weist eine Längsachse 6 auf, die mit der
nicht dargestellten Längsachse des Gasturbinenbrenners zusammenfällt.
[0019] Das erste, innere Rohr 2 umschliesst einen ersten, inneren Zuführkanal 7, an den
stromab eine Drallkammer 8 anschliesst. Die Drallkammer 8 ist nach aussen vom inneren
Rohr 2, stromab vom Deckel 4 und stromauf von einem Einsatz 9 begrenzt (Fig. 1). Sie
steht mit dem inneren Zuführkanal 7 über im Einsatz 9 angeordnete, tangential angestellte
Drallkanäle 10 (Fig. 2) und mit dem Aussenraum 5 über eine Austrittsöffnung 11 in
Verbindung. Die Austrittsöffnung 11 ist in der Längsachse 6 des Düsenkörpers 1 angeordnet.
Das zweite, äussere Rohr 3 besitzt einen grösseren Durchmesser als das innere Rohr
2, so dass zwischen beiden Rohren 3, 2 ein zweiter, äusserer und als Ringraum ausgebildeter
Zuführkanal 12 angeordnet ist. Letzterer ist über vier im Deckel 4 befindliche Austrittsöffnungen
13 ebenfalls mit dem Aussenraum 5 verbunden. Die Austrittsöffnungen 13 sind gleichmässig
über den Umfang des Düsenkörpers 1 verteilt (Fig. 3) und so ausgerichtet, dass sie
in den Nachlauf der Drallerzeuger des nicht dargestellten Brenners eindüsen. Die genaue
Ausrichtung hängt von den Randbedingungen der Gasturbine ab. Es bleibt anzumerken,
dass die Anzahl der Austrittsöffnungen 13 nicht auf vier festgelegt ist, jedoch müssen
für eine gleichmässige Brennstoffverteilung zumindest zwei Austrittsöffnungen 13 vorhanden
sein. Eine derart ausgebildete Druckzerstäuberdüse ist insbesondere für Drallerzeuger
mit Kegelform geeignet.
[0020] Der Deckel 4 sowie das innere Rohr 2 des Düsenkörpers 1 sind einstückig ausgebildet.
Dadurch kann die gesamte Druckzerstäuberdüse relativ einfach montiert werden, indem
das äussere Rohr 3 bis zu seinem Anschlag am Deckel 4 auf das innere Rohr 2 aufgeschoben
wird. Anschliessend werden das äussere Rohr 3 und der Deckel 4 miteinander verschweisst.
[0021] Beim Betrieb des Gasturbinenbrenners wird der Druckzerstäuberdüse als zu zerstäubende
Flüssigkeit 14 ein Flüssigbrennstoff, beispielsweise Brennöl, zugeführt. In Abhängigkeit
von der konkreten Betriebssituation der Gasturbine , d.h. je nachdem, ob diese bei
Voll- oder bei Teillast betrieben wird, erfolgt die Zufuhr des Flüssigbrennstoffs
14 zum Gasturbinenbrenner entweder über den äusseren Zuführkanal 12 oder über den
inneren Zuführkanal 7 der Druckzerstäuberdüse. Der Düsenkörper 1 weist somit zwei
unterschiedliche Düsen auf, nämlich eine äussere Mehrloch-Blendendüse und eine zentrale
Dralldüse.
[0022] Bei Teillast wird der Flüssigbrennstoff 14 in den inneren Zuführkanal 7 des Düsenkörpers
1 eingeführt, von wo aus er über die Drallkanäle 10 verdrallt in die Drallkammer 8
gelangt. Anschliessend wird der Flüssigbrennstoff 14 über die Austrittsöffnung 11
in den Aussenraum 5 eingedüst, wobei die Dralldüse einen Drallspray 15 mit einem relativ
weiten Sprühkegel 16 erzeugt (Fig. 4). Damit wird auch bei Teillast eine hohe Brennstoffkonzentration
im Zentrum des Brenners sowie eine ausreichende Verdampfung des Brennstoffs erreicht.
Dies ermöglicht auch im Teillastbereich der Gasturbine einen stabilen Brennerbetrieb.
[0023] Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine zentrale Zufuhr des Flüssigbrennstoffs
14 über den mittig angeordneten und vollständig vom äusseren Zuführkanal 12 umgebenen,
innere Zuführkanal 7. Natürlich kann der innere Zuführkanal 7 auch aussermittig angeordnet
und/oder auch nur teilweise vom äusseren Zuführkanal 12 umgeben werden, so dass der
Flüssigbrennstoff 14 dezentral, jedoch mit gleicher Wirkung zur Dralldüse gelangt
(nicht dargestellt).
[0024] Um eine gute Zerstäubungsqualität und eine hohe Strahleindringtiefe in die Verbrennungsluft
zu erzielen, soll der Einspritzdruck bis zu 100 bar betragen. Der maximale Massenstrom
des Flüssigbrennstoffs 14 wird je nach abzudeckendem Lastbereich der Gasturbine gewählt
und beträgt üblicherweise weniger als 50% des Massenstromes bei Vollast. Somit kann
der Gasturbinenbrenner auch bei Teillast der Gasturbine im Vormischbetrieb arbeiten.
[0025] Demgegenüber wird der Flüssigbrennstoff 14 bei Vollast in den äusseren Zuführkanal
12 des Düsenkörpers 1 eingeführt und gelangt über dessen Austrittsöffnungen 13 in
den Aussenraum 5. Auf diese Weise erzeugt die Mehrloch-Blendendüse mehrere, der Anzahl
der Austrittsöffnungen 13 entsprechende Brennstoffsprays 17 mit jeweils einem relativ
engen Sprühkegel 18 (Fig. 1). Die separaten Brennstoffsprays 17 besitzen einen hohen
Impuls und weisen zudem eine grosse Relativgeschwindigkeit des Flüssigbrennstoffs
14 zur Verbrennungsluft auf. Deshalb erfolgt mit der Mehrloch-Blendendüse eine gute
Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs 14. Ausserdem erreicht der Flüssigbrennstoff 14
eine hohe Eindringtiefe in die Verbrennungsluft, was zu einer deutlich verbesserten
Einmischqualität führt. Trotz der nunmehr verbesserten Eindringtiefe des Flüssigbrennstoffs
14 im Volllastbetrieb kommt es bei Teillast nicht zu Problemen durch Wandauftragung
von Brennöltröpfchen, weil dann auf die zentrale Dralldüse umgeschaltet wird.
[0026] Aufgrund dieser durch ein entsprechendes Flüssigkeitszufuhrsystem variablen Betriebsweise
kann die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse den je nach konkreter Betriebssituation
stark differierenden Anforderungen an das Brennstoffspray 15, 17 gerecht werden. In
Fig. 5 ist ein mögliches Flüssigkeitszufuhrsystem zur Druckzerstäuberdüse schematisch
dargestellt. Über eine Pumpe 19 wird der zu zerstäubende Flüssigbrennstoff 14 aus
einer Brennstoffleitung 20 in einen Druckbehälter 21 gepumpt. Ein Rücklaufventil 22
dient der Einstellung des Pumpenvordruckes. Zwischen der Pumpe 19 und dem Druckbehälter
21 ist in der Brennstoffleitung 20 ein Absperrventil 23 angeordnet. Vom Druckbehälter
21 gehen zwei Leitungen 24, 25 ab, wobei die Leitung 24 den zweiten Zuführkanal 12,
d.h. die Mehrloch-Blendendüse speist und die Leitung 25 mit dem ersten Zufuhrkanal
7, d.h. mit der Dralldüse in Verbindung steht. In den Leitungen 24, 25 ist jeweils
ein Steuerventil 26, 27 angeordnet, welche eine Regulierung der jeweiligen zugeführten
Flüssigkeitsmenge gestatten. Je nach Bedarf können auch beide Steuerventile 26, 27
geöffnet sein, so dass in diesem Falle beiden Düsen in Betrieb sind. Zwischen beiden
Düsen ist ein gleitendes Umschalten möglich. Wie in Fig. 5 angedeutet ist, können
über dieses Brennstoffzufuhrsystem mehrere Brenner beispielsweise einer Gasturbinenbrennkammer
mit Flüssigbrennstoff 14 versorgt werden. Die gezeigte Schaltung hat den Vorteil,
dass zur Regelung der aus zwei separaten Düsen bestehenden Druckzerstäuberdüse nur
die beiden Steuerventile 26, 27, d.h. nur ein Steuerventil 26 bzw. 27 je Düse, erforderlich
sind. Natürlich kann in besonderen Fällen auch eine Wasser-Ölemulsion als Brennstoff
eingesetzt werden, wodurch eine weitere Absenkung der NOx-Emissionen möglich ist.
[0027] In Fig. 6 ist eine alternatives Flüssigkeitszufuhrsystem dargestellt. Die Druckzerstäuberdüse
wird über eine erste Zufuhrleitung 28 mit Wasser, als einer ersten, zu zerstäubenden
Flüssigkeit 29, und über eine zweite Zufuhrleitung 30 mit Flüssigbrennstoff (Brennöl),
als einer zweiten, zu zerstäubenden Flüssigkeit 31, gespeist. In den Zufuhrleitungen
28, 30 ist jeweils eine Pumpe 19' und stromabwärts ein Absperrventil 23' angeordnet,
mit dem die Leitungen 28, 30 wahlweise geschlossen werden können. Der Massenstrom
der zu zerstäubenden Flüssigkeiten 29, 31 wird mittels jeweils eines in jeder der
Zufuhrleitungen 28, 30 angeordneten Steuerventils 26', 27' geregelt. Werden, wie in
Fig. 6 angedeutet, über dieses Flüssigkeitszufuhrsystem mehrere Brenner beispielsweise
einer Gasturbinenbrennkammer mit Flüssigbrennstoff 31 bzw. mit Wasser 29 versorgt,
so kann die Druckzerstäuberdüse beim Start bzw. bei Teillast betrieben werden, indem
nur Brennöl 31 über die Mehrloch-Blendendüse zerstäubt wird. Bei höherer Last bzw.
bei Vollast erfolgt dann über die Zufuhrleitung 28 eine Versorgung des Gasturbinenbrenners
mit Wasser 29. Beim Eindüsen in den nicht dargestellten Innenraum des Gasturbinenbrenners
kommt es zu einer Vermischung der Tröpfchen des Wassers 29 mit denen des Brennöls
31, was zu einer zur Senkung der NOx-Emissionen führt. Auch hier ergibt sich als Vorteil,
dass für den Gasturbinenbetrieb nur jeweils ein Steuerventil 26', 27' je Düse der
Druckzerstäuberdüse und insgesamt nur eine Zufuhrleitung 30 für den Flüssigbrennstoff
31 erforderlich ist.
[0028] Die mit der erfindungsgemäss ausgebildeten Druckzerstäuberdüse ausgestatteten Gasturbinenbrenner
können sowohl mit mehreren verschiedenen Flüssigbrennstoffen 31 als auch mit einem
Flüssigbrennstoff 31 und mit Wasser 29, mit nur einem Flüssigbrennstoff 31 oder auch
mit Flüssigbrennstoff-Wassergemischen betrieben werden. Sie erlauben daher ein relativ
grosses Einsatzspektrum und können an veränderte Betriebsbedingungen angepasst werden.
Die zentrale Dralldüse wird beim Betrieb der Mehrloch-Blendendüse ständig von der
durch letztere geführten Flüssigkeit 14, 31 umströmt. Deshalb ist beim Umschaltvorgang
von Voll- auf Teillast, wie das z.B. bei einem Lastverlust der Fall ist, kein Abkühlen
der Dralldüse erforderlich, so dass ein schneller Lastwechsel gewährleistet werden
kann.
[0029] In einem nächsten Ausführungsbeispiel ist unmittelbar stromauf der Austrittsöffnungen
13 des äusseren Zuführkanals 12 eine Turbulenzkammer 32 ausgebildet. Die Turbulenzkammer
32 wird vom äusseren Zuführkanal 12 durch eine Zwischenwand 33 abgetrennt. In der
Zwischenwand 33 sind aussermittig des äusseren Zuführkanals 12 vier Turbulenzerzeugeröffnungen
34 ausgebildet (Fig. 7). Bei Verwendung einer Druckzerstäuberdüse mit der zusätzlichen
Turbulenzkammer 32 des äusseren Zuführkanals 12 wird der Flüssigbrennstoff 14 über
die Austrittsöffnungen 13 als hochturbulenter Austrittsstrahl in den Innenraum des
Gasturbinenbrenners eingedüst, wo er anschliessend in ein feines Brennstoffspray 17
zerfällt. Damit kann die Vormischung des Gasturbinenbrenners weiter verbessert werden.
[0030] Wie bei einem Vergleich der Figuren 8 und 9 leicht zu erkennen ist, sind die Turbulenzerzeugeröffnungen
34, bezogen auf die Hauptströmungsrichtung des Flüssigbrennstoffs 14, in einem Winkel
von 45° versetzt zu den Austrittsöffnungen 13 des äusseren Zuführkanals 12 angeordnet.
Dadurch ist jeweils eine der Turbulenzerzeugeröffnungen 34 mittig zwischen zwei einander
benachbarten Austrittsöffnungen 13 angeordnet. Mit dieser Massnahme wird die turbulente
Struktur des Flüssigbrennstoffs 14 zum einen intensiver und zum anderen kleinskalig.
Deshalb tritt aus der Mehrloch-Blendendüse ein turbulenter, schnell zerfallender Freistrahl
aus. Natürlich kann auch eine andere Anzahl als jeweils vier Austrittsöffnungen 13
bzw. Turbulenzerzeugeröffnungen 34 realisiert werden, wobei sich dann der beschriebene
Winkel entsprechend ändert.
[0031] Der Deckel 4, das innere Rohr 2 und die Zwischenwand 33 des Düsenkörpers 1 sind einstückig
ausgebildet (Fig. 7). Dadurch kann auch diese Druckzerstäuberdüse relativ einfach
montiert werden, indem das äussere Rohr 3 bis zu seinem Anschlag am Deckel 4 auf das
innere Rohr 2 aufgeschoben wird. Anschliessend wird das äussere Rohr 3 sowohl mit
dem Deckel 4 als auch mit der Zwischenwand 33 verschweisst.
[0032] Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Austrittsöffnungen 13 des äusseren
Zuführkanals 12 eine radiale Austrittsrichtung 35 auf (Fig. 10, Fig. 11), was vor
allem für axiale Drallerzeuger geeignet ist. Insbesondere bei achsparalleler Anströmung
der Druckzerstäuberdüse führt dies zu einer sehr hohen Eindringtiefe des Brennstoffsprays
17 in die Verbrennungsluft und damit zu einer zusätzlichen Verbesserung der Vormischung
des Gasturbinenbrenners.
[0033] Alternativ zur Ausbildung der Drallkanäle 10 sind entsprechend einem nächsten Ausführungsbeispiel
Turbulenzkanäle 36 im Einsatz 9 angeordnet. Diese münden in eine Turbulenzkammer 37,
welche ihrerseits über die Austrittsöffnung 11 mit dem Aussenraum 5 in Verbindung
steht (Fig. 12). Beim Teillastbetrieb dieser aus einer Mehrloch-Blendendüse und einer
zentralen Turbulenzdüse bestehenden Druckzerstäuberdüse wird ein schnell zerfallender
Brennstoffspray 38 mit einem besonders engen Sprühkegel 39 erzeugt. Dadurch kann die
Brennstoffkonzentration im Zentrum des Brenners auch bei Teillast der Gasturbine weiter
erhöht werden.
[0034] Natürlich kann die Druckzerstäuberdüse auch ohne einen Einsatz 9 ausgebildet werden,
so dass der erste Zuführkanal 7 direkt bis zum Deckel 4 reicht (Fig. 13). In diesem
Fall entsteht eine besonders einfache, zentrale Düse mit einem geringen Platzbedarf
und einer im wesentlichen analogen Funktion wie die der zentralen Düsen der oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele.
[0035] In einem weiteren, ebenfalls ohne den Einsatz 9 auskommenden, Ausführungsbeispiel
ist, im Inneren des ersten Rohres 2 und konzentrisch zu diesem, ein drittes Rohr 40
angeordnet, welches stromauf der Austrittsöffnung 11 endet und den inneren Zuführkanal
7 aufnimmt. Das erste und das dritte Rohr 2, 40 sind voneinander beabstandet, so dass
zwischen ihnen ein als Luftkanal ausgebildeter Freiraum 41 entsteht. Der Luftkanal
41 erweitert sich stromab des dritten Rohres 40 zu einem Mischraum 42, in den der
Zuführkanal 7 mündet (Fig. 14). Beim Betrieb dieser zentralen Düse wird über eine
nicht dargestellte Zuführleitung und über den Luftkanal 41 Luft 43 herangeführt. Im
Mischraum 42 trifft die Luft 43 auf den Flüssigbrennstoff 14, wodurch es zu dessen
luftunterstützter Eindüsung in den Aussenraum 5 der Druckzerstäuberdüse, d.h. in den
Innenraum des Gasturbinenbrenners, kommt. Damit wird die erforderliche Zerstäubungsqualität
unabhängig vom aktuellen Brennstoffdurchsatz erreicht, was insbesondere beim Teillastbetrieb
von Vorteil ist.
Bezugszeichenliste
[0036]
- 1
- Düsenkörper
- 2
- erstes Rohr
- 3
- zweites Rohr
- 4
- Deckel
- 5
- Aussenraum
- 6
- Längsachse, von 1
- 7
- erster, innerer Zuführkanal
- 8
- Drallkammer
- 9
- Einsatz
- 10
- Drallkanal
- 11
- Austrittsöffnung, von 7
- 12
- zweiter, äusserer Zuführkanal, Ringraum
- 13
- Austrittsöffnung, von 12
- 14
- Flüssigkeit, Flüssigbrennstoff (Brennöl)
- 15
- Drallspray, Brennstoffspray
- 16
- Sprühkegel, von 15
- 17
- Brennstoffspray
- 18
- Sprühkegel, von 17
- 19
- Pumpe
- 20
- Brennstoffleitung
- 21
- Druckbehälter
- 22
- Rücklaufventil
- 23
- Absperrventil
- 24
- Leitung
- 25
- Leitung
- 26
- Steuerventil
- 27
- Steuerventil
- 28
- Zufuhrleitung
- 29
- Flüssigkeit, Wasser
- 30
- Zufuhrleitung
- 31
- Flüssigkeit, Flüssigbrennstoff (Brennöl)
- 32
- Turbulenzkammer
- 33
- Zwischenwand
- 34
- Turbulenzerzeugeröffnung
- 35
- Austrittsrichtung, radial
- 36
- Turbulenzkanal
- 37
- Turbulenzkammer
- 38
- Brennstoffspray
- 39
- Sprühkegel
- 40
- Rohr
- 41
- Freiraum, Luftkanal
- 42
- Mischraum
- 43
- Luft
- 19'
- Pumpe
- 23'
- Absperrventil
- 26'
- Steuerventil
- 27'
- Steuerventil
1. Kombinierte Druckzerstäuberdüse für Gasturbinenbrenner, umfassend einen Düsenkörper
(1) mit zumindest zwei separaten Zuführkanälen (7, 12) für zumindest eine zu zerstäubende
Flüssigkeit (14, 29, 31), wobei der erste Zuführkanal (7) zumindest teilweise vom
zweiten Zuführkanal (12) umschlossen wird sowie stromab über eine Austrittsöffnung
(11) mit einem Aussenraum (5) in Verbindung steht und wobei der zweite Zuführkanal
(12) gleichfalls mit dem Aussenraum (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zuführkanal (12) zumindest zwei Austrittsöffnungen (13) zum Aussenraum
(5) besitzt.
2. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (13) des zweiten Zuführkanals (12) gleichmässig verteilt auf
dem Umfang des Düsenkörpers (1) angeordnet sind.
3. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zuführkanal (7) im Inneren eines ersten Rohres (2), der zweite Zuführkanal
(12) im Inneren eines zweiten Rohres (3) ausgebildet, beide Rohre (2, 3) konzentrisch
zueinander angeordnet sind und stromab von einem Deckel (4) zum Aussenraum (5) abgeschlossen
werden, wobei der Deckel (4) sowie das erste Rohr (2) einstückig ausgebildet sind.
4. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar stromauf der Austrittsöffnungen (13) des zweiten Zuführkanals (12) eine
Turbulenzkammer (32) ausgebildet ist.
5. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzkammer (32) vom zweiten Zuführkanal (12) durch eine Zwischenwand (33)
abgetrennt ist und in der Zwischenwand (33) zumindest zwei Turbulenzerzeugeröffnungen
(34) angeordnet sind.
6. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzerzeugeröffnungen (34) aussermittig des zweiten Zuführkanals (12) in
der Zwischenwand (33) ausgebildet sind.
7. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzerzeugeröffnungen (34) versetzt zu den Austrittsöffnungen (13) des zweiten
Zuführkanals (12) angeordnet sind.
8. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine der Turbulenzerzeugeröffnungen (34) mittig zwischen zwei einander benachbarten
Austrittsöffnungen (13) angeordnet ist.
9. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zuführkanal (7) im Inneren eines ersten Rohres (2), der zweite Zuführkanal
(12) im Inneren eines zweiten Rohres (3) ausgebildet, beide Rohre (2, 3) konzentrisch
zueinander angeordnet sind und stromab von einem Deckel (4) zum Aussenraum (5) abgeschlossen
werden, wobei der Deckel (4), das erste Rohr (2) sowie die Zwischenwand (33) einstückig
ausgebildet sind.
10. Kombinierte Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Zuführkanal (7) sowie der Austrittsöffnung (11) eine Drallkammer
(8) oder eine Turbulenzkammer (37) ausgebildet ist.
1. Combined pressure atomizing nozzle for gas-turbine burners, comprising a nozzle body
(1) having at least two separate feed passages (7, 12) for at least one liquid (14,
29, 31) to be atomized, the first feed passage (7) being at least partly enclosed
by the second feed passage (12) and also being connected downstream to an outer space
(5) via a discharge orifice (11), and the second feed passage (12) likewise being
connected to the outer space (5), characterized in that the second feed passage (12) has at least two discharge orifices (13) to the outer
space (5).
2. Combined pressure atomizing nozzle according to Claim 1, characterized in that the discharge orifices (13) of the second feed passage (12) are uniformly distributed
over the periphery of the nozzle body (1).
3. Combined pressure atomizing nozzle according to Claim 1 or 2, characterized in that the first feed passage (7) is formed in the interior of a first tube (2), the second
feed passage (12) is formed in the interior of a second tube (3), both tubes (2, 3)
are arranged concentrically to one another and are closed off from the outer space
(5) downstream by a cover (4), the cover (4) and the first tube (2) being designed
in one piece.
4. Combined pressure atomizing nozzle according to Claim 1 or 2, characterized in that a turbulence chamber (32) is formed directly upstream of the discharge orifices (13)
of the second feed passage (12).
5. Combined pressure atomizing nozzle according to Claim 4, characterized in that the turbulence chamber (32) is separated from the second feed passage (12) by a partition
(33), and at least two turbulence-generating orifices (34) are arranged in the partition
(33).
6. Combined pressure atomizing nozzle according to Claim 5, characterized in that the turbulence-generating orifices (34) are formed in the partition (33) eccentrically
with respect to the second feed passage (12).
7. Combined pressure atomizing nozzle according to Claim 6, characterized in that the turbulence-generating orifices (34) are arranged offset from the discharge orifices
(13) of the second feed passage (12).
8. Combined pressure atomizing nozzle according to Claim 7, characterized in that in each case one of the turbulence-generating orifices (34) is arranged centrally
between two adjacent discharge orifices (13).
9. Combined pressure atomizing nozzle according to one of Claims 4 to 8, characterized in that the first feed passage (7) is formed in the interior of a first tube (2), the second
feed passage (12) is formed in the interior of a second tube (3), both tubes (2, 3)
are arranged concentrically to one another and are closed off from the outer space
(5) downstream by a cover (4), the cover (4), the first tube (2) and the partition
(33) being designed in one piece.
10. Combined pressure atomizing nozzle according to one of Claims 1 to 9, characterized in that a swirl chamber (8) or a turbulence chamber (37) is formed between the first feed
passage (7) and the discharge orifice (11).
1. Buse de pulvérisation par pression combinée pour brûleurs de turbines à gaz, comprenant
un corps de buse (1) avec au moins deux conduits d'amenée séparés (7, 12) pour au
moins un liquide à pulvériser (14, 29, 31), le premier conduit d'amenée (7) étant
au moins partiellement entouré par le deuxième conduit d'amenée (12) et communiquant
en aval par le biais d'une ouverture de sortie (11) avec un espace extérieur (5) et
le deuxième conduit d'amenée (12) étant également relié à l'espace extérieur (5),
caractérisée en ce que le deuxième conduit d'amenée (12) possède au moins deux ouvertures de sortie (13)
vers l'espace extérieur (5).
2. Buse de pulvérisation par pression combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ouvertures de sortie (13) du deuxième conduit d'amenée (12) sont réparties uniformément
sur la périphérie du corps de la buse (1).
3. Buse de pulvérisation par pression combinée selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le premier conduit d'amenée (7) est réalisé à l'intérieur d'un premier tube (2),
le deuxième conduit d'amenée (12) est réalisé à l'intérieur d'un deuxième tube (3),
les deux tubes (2, 3) sont concentriques, et sont fermés en aval par un couvercle
(4) vis-à-vis de l'espace extérieur (5), le couvercle (4) ainsi que le premier tube
(2) étant réalisés d'une seule pièce.
4. Buse de pulvérisation par pression combinée selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que directement en amont des ouvertures de sortie (13) du deuxième conduit d'amenée (12)
est réalisée une chambre de turbulence (32).
5. Buse de pulvérisation par pression combinée selon la revendication 4, caractérisée en ce que la chambre de turbulence (32) est séparée du deuxième conduit d'amenée (12) par une
paroi intermédiaire (33) et au moins deux ouvertures de génération de turbulences
(34) sont disposées dans la paroi intermédiaire (33).
6. Buse de pulvérisation par pression combinée selon la revendication 5, caractérisée en ce que les ouvertures de génération de turbulences (34) sont réalisées de manière excentrée
par rapport au deuxième conduit d'amenée (12) dans la paroi intermédiaire (33).
7. Buse de pulvérisation par pression combinée selon la revendication 6, caractérisée en ce que les ouvertures de génération de turbulences (34) sont décalées par rapport aux ouvertures
de sortie (13) du deuxième conduit d'amenée (12).
8. Buse de pulvérisation par pression combinée selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'à chaque fois une des ouvertures de génération de turbulences (34) est disposée centralement
entre deux ouvertures de sortie (13) voisines l'une de l'autre.
9. Buse de pulvérisation par pression combinée selon l'une quelconque des revendications
4 à 8, caractérisée en ce que le premier conduit d'amenée (7) est réalisé à l'intérieur d'un premier tube (2),
le deuxième conduit d'amenée (12) est réalisé à l'intérieur d'un deuxième tube (3),
les deux tubes (2, 3) sont concentriques et sont fermés en aval par un couvercle (4)
vis-à-vis de l'espace extérieur (5), le couvercle (4), le premier tube (2) ainsi que
la paroi intermédiaire (33) étant réalisés d'une seule pièce.
10. Buse de pulvérisation par pression combinée selon l'une quelconque des revendications
1 à 9, caractérisée en ce qu'une chambre de tourbillonnement (8) ou une chambre de turbulence (37) est réalisée
entre le premier conduit d'amenée (7) et l'ouverture de sortie (11).