Druckzerstäuberdüse

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Druckzerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper mit einer Mischkammer, welche über eine Düsenbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht. Der Düsenkörper weist einen ersten Zufuhrkanal für eine zu zerstäubende Flüssigkeit auf, durch welchen besagte Flüssigkeit unter Druck und drallfrei dieser Kammer zuführbar ist. In die Kammer des Düsenkörpers mündet mindestens ein weiterer Zufuhrkanal für einen Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit oder für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit oder die zweite Flüssigkeit unter Druck und mit Drall zuführbar ist. Die Zuführungs bohrung des ersten Zufuhrkanals liegt mit der Düsenaustritts bohrung auf einer Achse. Eine derartige Düse ist beispielsweise aus GB 2 001 262 bekannt.

Stand der Technik

[0002] 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 Drallkammer 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.

[0003] Bei der schadstoffarmen Verbrennung von mineralischen Brennstoffen in modernen Brennern, beispielsweise in Vormischbrennem 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.

[0004] 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.

[0005] Bei drallstabilisierten Brennern (z.B. Brenner der Doppelkegelbauart), bei denen mit Hilfe einer Drallströmung die Flammenstabilisierung erzielt wird, bietet sich der Bereich zwischen dem Drallerzeuger und dem Rezirkulationsgebiet, das durch Aufplatzen der Drallströmung entsteht, für eine Einmischung und Verdampfung des flüssigen Brennstoffes an. Zur Erzielung einer guten Vorverdampfung sollte der Brennstoff fein zerstäubt in die Strömung eingebracht werden, was sich am einfachsten mit einer Druckzerstäuberdüse bewerkstelligen lässt. Werden die feinen Tröpfchen jedoch einem Drallströmungsfeld ausgesetzt, so kann dies zu einem Ausschleudern der Tropfen auf Grund der Zentrifugalkräfte führen (Zyklonwirkung). Eine Benetzung des Drallerzeugers bzw. der Mischrohrwände hätte zur Folge, das die Mischung verschlechtert wird und dass die Gefahr von Flammenrückschlag entlang der Wände und Auftreten von Ablagerungen auf Grund von Brennstoffzersetzung eintritt.

[0006] 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.

[0007] 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 klein.

[0008] Beim Betrieb von Gasturbinenbrennem 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.

[0009] Der Einsatz einer oben beschriebenen Hochdruckzerstäuberdüse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff in Gasturbinenbrennem 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.

[0010] 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.

[0011] Dieser Nachteil wird mit der bereits erwähnten zweistufigen Druckzerstäuberdüse nach DE 196 08 349.4 beseitigt. Diese wird bei Voll- und Überlastbetrieb über eine drallfreie Turbulenzerzeugerhauptstufe und bei Teil- und Niedriglastbetrieb zusätzlich oder aber allein über eine Druckdrallstufe betrieben. Diese Lösung hat aber den Nachteil, dass infolge der hohen Turbulenz im Strahl der Turbulenzerzeugerhauptstufe keine sehr engen Spraywinkel (< 15°) möglich sind. Für bestimmte Anwendungsfälle, bei welchen die Brennerluft stark verdrallt ist, sind aber sehr enge Brennstoffstrahlwinkel zum Vermeiden von Wandauftragung erforderlich. Prinzipiell sind hierzu Strahldüsen, sogenannte Plain Jets, geeignet. Diese erzeugen aber eine zur Zündung des Brenners nur schlecht geeignete Zerstäubung.

Darstellung der Erfindung

[0012] Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckzerstäuberdüse der o.g. Art zu entwickeln, die eine einfache Bauweise aufweist und einen an die jeweiligen Betriebsbedingungen genau angepassten Spraywinkel bzw. Zerstäubungsgrad der zu zerstäubenden Flüssigkeit bzw. Flüssigkeiten ermöglicht. Dabei sollen vor allem auch extrem kleine Sprühwinkel realisiert werden, wobei die Zerstäubung unterdrückt wird und es nur zu einer verzögerten Auflösung des Flüssigkeitsstromes kommt. Ausserdem soll ein Verfahren zum effektiven Betrieb dieser Druckzerstäuberdüse vorgeschlagen werden.

[0013] Erfindungsgemäss wird dies bei einer Druckzerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper, in welchem eine Mischkammer ausgebildet ist, welche über eine Düsenaustrittsbohrung mit einem Aussenraum in Verbindung steht und einen ersten Zufuhrkanal mit einer Zuführungbohrung für eine zu zerstäubende Flüssigkeit aufweist, durch welche besagte Flüssigkeit drallfrei und unter Druck zuführbar ist, wobei in die Kammer mindestens ein weiterer Zufuhrkanal für einen Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit oder für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit mündet, durch welchen besagter Teil der Flüssigkeit oder die zweite Flüssigkeit unter Druck und mit Drall zuführbar ist, wobei die Zuführungsbohrung des ersten Zufuhrkanales mit der Düsenaustrittsbohrung auf einer Achse liegt, dadurch erreicht, dass der austrittsseitige Durchmesser der Düsenaustrittsbohrung höchstens so gross ist wie der Durchmesser der Zuführungsbohrung und die Länge der Düsenaustrittsbohrung mindestens das 2- bis maximal 10-fache des austrittsseitigen Durchmessers der Düsenaustrittsbohrung beträgt.

[0014] Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, dass damit die Möglichkeit gegeben ist, den Sprühwinkel der Düse bis auf einen extrem kleinen Winkel, d.h. bis zu einem Vollstrahl ohne störende Turbulenzen zu reduzieren. Damit wird den Besonderheiten des Drallströmungsfeldes eines drallstabilisierten Brenners Rechnung getragen. Andererseits kann die Betriebsweise einer herkömmlichen feinzerstäubenden Druckzerstäuberdüse beibehalten werden. Zwischen diesen Extremen ist durch einen gleitende Regelung die Einstellung aller Betriebszustände, d.h. Sprühwinkel und Zerstäubungsgrade möglich. Durch Einhaltung des o.g. Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der Düsenaustrittsbohrung wird erreicht, dass einerseits der Drall aus der Drallstufe nicht zu stark abgebaut wird und damit die Zerstäubung im Druckzerstäuberbetrieb ausreichend ist und andererseits die Divergenz des Vollstrahles klein genug ist, damit es nicht zu einem unerwünschten Ausschleudern von Tropfen kommen kann.

[0015] Es ist besonders zweckmässig, wenn die Druckzerstäuberdüse einen austrittsseitigen Durchmesser der Düsenaustrittsbohrung aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der Zuführungsbohrung, insbesondere soll er ca. das 0,7-fache des Durchmessers der Zuführungsbohrung betragen. Dadurch wird ein grösserer Teil des gesamten Druckabfalls über die Austrittsöffnung erreicht, was zu einer hohen Stabilität des Vollstrahles führt.

[0016] Ferner ist eine Ausführungsvariante vorteilhaft, bei welcher die Düsenaustrittsbohrung im Deckel eines ersten Rohres angeordnet ist, in welchem ein zweites Rohr kleineren Aussendurchmessers eingesetzt ist, das bis zu dem besagten Deckel reicht, und im deckelseitigen Ende des zweiten Rohres mindestens ein Schlitz vorgesehen ist, welcher tangential angestellt ist und einen Drallkanal bildet und welcher den Ringraum zwischen den ersten und dem zweiten Rohr mit der Kammer verbindet, von welcher die Düsenaustrittsbohrung in den Aussenraum führt, wobei die Kammer im wesentlichen durch den Deckel, die Innenwände des zweiten Rohres und ein Füllstück im zweiten Rohr begrenzt ist, und die Zuführungsbohrung im Füllstück auf der gleichen Achse wie die Düsenaustrittsbohrung angeordnet ist. Diese Düse zeichnet sich durch eine einfache Bauweise aus.

[0017] Schliesslich wird mit Vorteil eine erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse verwendet, deren Düsenaustrittsbohrung über ihre Gesamtlänge eine konstante Querschnittsfläche aufweist. Diese ist sehr einfach herstellbar.

[0018] Wird dagegen eine erfindungsgemässe zweistufige Druckzerstäuberdüse verwendet, deren Düsenaustrittsbohrung über ihre Gesamtlänge eine in Strömungsrichtung stetig abnehmende Querschnittsfläche aufweist, so wird infolge des konvergierenden Teiles vorteilhaft in der Drallstufe eine gleichmässige Beschleunigung der zu zerstäubenden Flüssigkeit erreicht. Die Reibungsverluste sind geringer als bei einer Ausführungsvariante, bei der eine Düse mit konstantem Querschnitt der Düsenaustrittsbohrung vorgesehen ist. Mit dieser Geometrie wird bei Betrieb in der Vollstrahlstufe die Zerstäubung unterdrückt, und es kommt zu einer verzögerten Auflösung des Flüssigkeitsstromes.

[0019] Ferner ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse eine Düsenaustrittsbohrung hat, welche an ihrem einlaufseitigen Ende einen Einlaufradius aufweist, der mindestens so gross ist wie der Radius der Mischkammer. Hierdurch wird ein Ablösen der Strömung am Eintritt in die Austrittsbohrung verhindert und dadurch werden Strömungsverluste bzw. bei hohen Geschwindigkeiten mögliche Kavitation verhindert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0020] In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

[0021] Es zeigen:

Fig. 1

einen Teillängsschnitt einer erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe in einer ersten Ausführungsvariante;

Fig. 2

einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1 im Bereich der Vollstrahlstufe entlang der Linie II-II;

Fig. 3

einen Querschnitt der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1 im Bereich der Drallstufe entlang der Linie III-III;

Fig. 4

einen Teillängsschnitt einer erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe in einer zweiten Ausführungsvariante;

Fig. 5

einen Teillängsschnitt einer erfindungsgemässen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe in einer dritten Ausführungsvariante.

[0022] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise Regelorgane, mit denen die Grösse des durch die einzelnen Stufen der Düse strömende Flüssigkeitsstromes beeinflusst werden kann. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0023] Nachfolgend wird die Erfindung arthand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

[0024] 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.

[0025] 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. Erfindungsgemäss beträgt die Länge der Düsenaustrittsbohrung mindestens das 2- bis maximal 10-fache des austrittsseitigen Durchmessers der Düsenaustrittsbohrung. 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 befindet sich auf gleicher Höhe wie die Oberkante der Schlitze 38, es kann aber bei einer anderen nicht dargestellten Ausführungsvariante auch von der Oberkante der Schlitze 38 beabstandet sein. Im Füllstück 40 ist eine Zuführungsbohrung 41 für die zu zerstäubende Flüssigkeit 37 bzw. für eine zweite zu zerstäubende Flüssigkeit angeordnet, die eine drallfreie Zuströmung der Flüssigkeit vom Zufuhrkanal 42 in die Kammer 39 ermöglichen. Die Zuführungsbohrung 41 liegt mit der Düsenaustrittsbohrung 33 auf der gleiche Achse 34. Die Zuführungsbohrung 41 weist in diesem ersten Ausführungsbeispiel über ihre gesamte Länge L einen konstanten Durchmesser d_z auf. Dieser Durchmesser d_z ist im Vergleich zum Durchmesser d_a der Düsenaustrittsbohrung 33 etwas grösser bemessen. Vorzugsweise sollte das Verhältnis von d_a zu d_z etwa 0,7 betragen. Dann wird beim Betrieb der Düse in der Vollstrahlstufe eine gute Stabilität des Vollstrahles erreicht, weil ein grösserer Teil des gesamten Druckabfalls über die Düsenaustrittsbohrung auftritt. Von besonderer Bedeutung für die Funktion der Düse ist auch das Verhältnis von Länge L zum austrittsseitigen Durchmesser d_a der Düsenaustrittsbohrung 33. Es liegt erfindungsgemäss in einem Bereich von 2 bis 10. Ist nämlich das Längen- zu Durchmesser-Verhältnis zu hoch, wird der Drall aus der Drallstufe zu stark abgebaut und die Zerstäubung im Druckzerstäuberbetrieb ist unzureichend. Bei zu kleinem Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düsenaustrittsbohrung 33 weist dagegen der Vollstrahl eine zu grosse Divergenz auf, was zu einem unerwünschten Ausschleudem von Tropfen führen kann.

[0026] Die erfindungsgemässe Druckzerstäuberdüse weist somit zwei Stufen auf - eine Vollstrahlstufe (s. Fig. 2) und eine Druckdrallstufe (s. Fig. 3), die je nach Erfordernissen entweder gemeinsam oder auch einzeln betrieben werden können .

[0027] Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Druckzerstäuberdüse auch mit mehr oder weniger Schlitzen 3& versehen sein. Ebenso ist auch eine andere Verteilung der Kanäle über den Umfang möglich. Anstelle der Schlitze 38 können auch andere Drallerzeuger, beispielsweise Schaufeln, im Kanal 36 angeordnet sein, die dafür sorgen, dass die zu zerstäubende Flüssigkeit aus dem Kanal 36 verdrallt in die Kammer 39 eintritt.

[0028] Fig. 4 zeigt in einem Teillängsschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen zweistufigen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe. Der Aufbau der Düse unterscheidet sich vom oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die Düsenaustrittsbohrung 33 keinen konstanten Durchmesser aufweist, sondern dass der Durchmesser in Strömungsrichtung gesehen über die gesamte Länge L der Düsenaustrittsbohrung bis zum eigentlichen Austritt hin stetig abnimmt. Das hat gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel die zusätzlichen Vorteile, dass eine gleichmässige Beschleunigung des Flüssigkeitsstromes in der Düse stattfindet, dass die Reibungsverluste in der Drallstufe vermindert werden, dass in der Vollstrahlstufe keine Turbulenzen auftreten bzw. ev. vorhandene abgebaut werden und dass die Zerstäubung der Flüssigkeit unterdrückt wird.

[0029] Fig. 5 zeigt in einem Teillängsschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen zweistufigen Druckzerstäuberdüse mit Vollstrahlstufe und Drallstufe. Der Aufbau der Düse unterscheidet sich vom oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass auch hier die Düsenaustrittsbohrung 33 keinen konstanten Durchmesser aufweist. In diesem dritten Ausführungsbeispiel hat die Düsenaustrittsbohrung einen Einlaufradius R_e, der etwa so gross sein sollte wie der Radius R_k der Kammer 39. Auch hier entstehen weniger Reibungsverluste.

[0030] Die erfindungsgemässe Düse kann beispielsweise in einen drallstabilisierten Gasturbinen- oder Kesselbrenner, z.B. einen Brenner der Doppelkegelbauart, eingebaut und an die Erfordernisse des jeweiligen Brennerströmungsfeldes bzw. an Betriebszustände der Gasturbinenbrennkammer oder des Kessels angepasst werden, falls erforderlich, auch während des Betriebes. Beim Zünden und im Teillastbetrieb wird beispielsweise die Düse über die Druckdrallstufe betrieben, indem die Flüssigkeit 37, in diesem Falle Brennstoff, über den Zufuhrkanal 36 und den Drallkanal 38 (oder über einen im Kanal 36 angeordneten Drallerzeuger) unter hohem Druck und verdrallt in die Kammer 39 gelangt und über die Düsenaustrittsbohrung 33 in den Brennraum als fein zerstäubte Tropfen eingedüst wird. Durch die rotierende Bewegung wird an der Düsenbohrung 33 eine Hohlkegelströmung erzeugt. Mit zunehmender Gesamtbrennstoffmenge und daher mit zunehmender Gefahr des Ausschleudems von Tropfen wird dann auf die Vollstrahldüse übergegangen, indem der Brennstoff über den Kanal 42 und die Zuführungsbohrung 41, welche mit der Düsenaustrittsbohrung 33 auf einer Achse liegt, unverdrallt in die Kammer 39 eingebracht wird, von wo aus der Brennstoff dann über die Düsenaustrittsbohrung 33 als Vollstrahl in den Brennraum eintritt. Der Spraywinkel der Vollstrahldüse ist extrem niedrig, er liegt bei < 5°.

[0031] Es können beide Stufen gleichzeitig betrieben werden, dann findet in der Kammer 39 eine Mischung der beiden Brennstoffströme statt.

[0032] Je nach Betriebsbedingungen der Gasturbine kann die Düse auch in nur einer Stufe betrieben werden. Da bei Vollast und Überlast möglichst extrem kleine Sprühwinkel eingestellt werden sollten, wird dann beispielsweise nur die Vollstrahlstufe benutzt, und der durch die Drallkanäle 38 strömende Brennstoffmassenstrom wird vollständig abgeschaltet Ausserdem ist es möglich, je nach Lastbereich verschiedene Flüssigkeiten, z.B. Wasser und Öl, über die Kanäle 36, 38 und 42, 41 der Kammer 39 zuzuführen und nach ihrer Mischung zu zerstäuben.

Bezugszeichenliste

[0033] 

30

Düsenkörper

31

erstes Rohr

32

Deckel von Pos. 31

33

Düsenaustrittsbohrung

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

Drallkammer

40

Füllstück

41

Zuführungbohrung

42

Zufuhrkanal

L

Länge von Pos. 33

d_a

Durchmesser von Pos. 33

d_z

Durchmesser von Pos. 41

R_e

Einlaufradius von Pos. 33

R_k

Radius von Pos. 39

Ansprüche

1. Druckzerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper (30), in welchem eine Mischkammer (39) ausgebildet ist, welche über eine Düsenaustrittsbohrung (33) mit einem Aussenraum in Verbindung steht und einen ersten Zufuhrkanal (42) mit einer Zuführungbohrung (41) für eine zu zerstäubende Flüssigkeit (37) aufweist, durch welche besagte Flüssigkeit (37) drallfrei und unter Druck zuführbar ist, wobei in die Kammer (39) mindestens ein weiterer Zufuhrkanal (36) 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 zuführbar ist, wobei die Zuführungsbohrung (41) des ersten Zufuhrkanales (42) mit der Düsenaustrittsbohrung (33) auf einer Achse (34) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass

a) der austrittsseitige Durchmesser (d_a) der Düsenaustrittsbohrung (33) höchstens so gross ist wie der Durchmesser (d_z) der Zuführungsbohrung (41) und

b) die Länge (L) der Düsenaustrittsbohrung (33) mindestens das 2- bis maximal 10-fache des austrittsseitigen Durchmessers (d_a) der Düsenaustrittsbohrung (33) beträgt.

2. Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der austrittsseitige Durchmesser (d_a) der Düsenaustrittsbohrung (33) ca. das 0,7-fache des Durchmessers (d_z) der Zuführungsbohrung (41) beträgt.

3. Druckzerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsbohrung (33) im Deckel (32) eines ersten Rohres (31) angeordnet ist, in welchem ein zweites Rohr (35) kleineren Aussendurchmessers eingesetzt ist, das bis zu dem besagten Deckel (32) reicht, und im deckelseitigen Ende des zweiten Rohres (35) mindestens ein Schlitz (38) vorgesehen ist, welcher tangential angestellt ist und einen Drallkanal bildet und welcher den Ringraum (36) zwischen den ersten (31) und dem zweiten Rohr (35) mit der Kammer (39) verbindet, von welcher die Düsenaustrittsbohrung (33) in den Aussenraum führt, wobei die Kammer (39) im wesentlichen durch den Deckel (32), die Innenwände des zweiten Rohres (35) und ein Füllstück (40) im zweiten Rohr (35) begrenzt ist, und die Zuführungsbohrung (41) im Füllstück (40) auf der gleichen Achse (34) wie die Düsenaustrittsbohrung (33) angeordnet ist.

4. Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsbohrung (33) über ihre Gesamtlänge (L) eine konstante Querschnittsfläche aufweist.

5. Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsbohrung (33) über ihre Gesamtlänge (L) eine in Strömungsrichtung stetig abnehmende Querschnittsfläche aufweist.

6. Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenaustrittsbohrung (33) an ihrem einlaufseitigen Ende einen Einlaufradius (R_a) aufweist, welcher mindestens so gross ist wie der Radius (R_k) der Kammer (39).

7. Verfahren zum Betrieb einer Druckzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem drallstabilisierten Brenner, wobei beim Zünden und im Teillastbetrieb die Düse über eine Druckdrallstufe betrieben wird, indem ein Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit (37) oder ein Teil der zu zerstäubenden Flüssigkeit (37') über den Zufuhrkanal (38) verdrallt der Kammer (39) zugeführt und dort eine stark verdrallte Strömung erzeugt wird, welche anschliessend durch die Düsenaustrittsbohrung (33) in den Aussenraum gelangt, wobei der Anteil der über die Drallstufe zugeführten Flüssigkeit (37, 37') mit zunehmenden Gesamtflüssigkeitsmassenstrom verringert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse bei Voll- und Überlastbetrieb über eine Vollstrahlstufe betrieben wird, indem die Flüssigkeit (37) über die Zuführungsbohrung (41) der Kammer (39) zugeführt wird und von dort aus durch die Düsenaustrittsbohrung (33) als Vollstrahl in den Aussenraum gelangt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen beiden Stufen gleitend umgeschalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stufen gleichzeitig und im Durchsatz variierbar betrieben werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der beiden Stufen betrieben wird.

Claims

1. Pressure atomizer nozzle, comprising a nozzle body (30), in which a mixing chamber (39) is designed, the said mixing chamber being connected to an outside space via a nozzle outlet bore (33) and having a first feed duct (42) with a feed bore (41) for a liquid (37) to be atomized, through which feed bore the said liquid (37) can be supplied, free of swirling and under pressure, at least one further feed duct (36) for a portion of the liquid (37) to be atomized or for a second liquid (37') to be atomized opening into the chamber (39), through which feed duct the said portion of liquid (37) or the second liquid (37') can be fed under pressure, and with swirling, the feed bore (41) of the first feed duct (42) lying on one axis (34) with the nozzle outlet bore (33), characterized in that

a) the outlet-side diameter (d_a) of the nozzle outlet bore (33) is at most as large as the diameter (d_z) of the feed bore (41), and

b) the length (L) of the nozzle outlet bore (33) is at least twice to at most ten times the outlet-side diameter (d_a) of the nozzle outlet bore (33).

2. Pressure atomizer nozzle according to Claim 1, characterized in that the outlet-side diameter (d_a) of the nozzle outlet bore (33) is approximately 0.7 times the diameter (d_z) of the feed bore (41).

3. Pressure atomizer nozzle according to Claim 1 or 2, characterized in that the nozzle outlet bore (33) is arranged in the cover (32) of a first tube (31), in which is inserted a second tube (35) of smaller outside diameter, which reaches as far as the said cover (32), and in the cover-side end of the second tube (35) at least one slit (38) is provided, which is set tangentially and forms a swirl duct and which connects the annular space (36) between the first (31) and the second (35) tube to the chamber (39), from which the nozzle outlet bore (33) leads into the outside space, the chamber (39) being delimited essentially by the cover (32), the inner walls of the second tube (35) and a filling piece (40) in the second tube (35), and the feed bore (41) in the filling piece (40) being arranged on the same axis (34) as the nozzle outlet bore (33).

4. Pressure atomizer nozzle according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the nozzle outlet bore (33) has a constant cross-sectional area over its entire length (L).

5. Pressure atomizer nozzle according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the nozzle outlet bore (33) has, over its entire length (L), a cross-sectional area decreasing continuously in the direction of flow.

6. Pressure atomizer nozzle according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the nozzle outlet bore (33) has, at its inflow-side end, an inflow radius (R_a) which is at least as large as the radius (R_k) of the chamber (39).

7. Method for operating a pressure atomizer nozzle according to one of Claims 1 to 6 in a swirl-stabilized burner, during ignition and in the part load mode the nozzle being operated via a pressure swirl stage, in that a portion of the liquid (37) to be atomized or a portion of the liquid (37') to be atomized is fed, swirled, via the feed duct (38) to the chamber (39), and a sharply swirled flow is generated there, which subsequently passes through the nozzle outlet bore (33) into the outside space, the proportion of liquid (37, 37'), fed via the swirl stage, being reduced with an increasing overall liquid mass flow, characterized in that, in the full load and overload mode, the nozzle is operated via a full jet stage, in that the liquid (37) is fed via the feed bore (41) to the chamber (39) and passes from there through the nozzle outlet bore (33) into the outside space as a full jet.

8. Method according to Claim 7, characterized in that a sliding changeover is made between the two stages.

9. Method according to Claim 7, characterized in that both stages are operated simultaneously and with a variable throughput.

10. Method according to Claim 7, characterized in that only one of the two stages is operated.

Revendications

1. Gicleur de pulvérisation sous pression, comprenant un corps de gicleur (30) dans lequel est formée une chambre de mélange (39) qui communique par un alésage de sortie du gicleur (33) avec un espace extérieur et qui présente un premier canal d'amenée (42) doté d'un alésage d'amenée (41) pour un liquide (37) à pulvériser, et par lequel ledit liquide (37) peut être amené sous pression et sans tourbillon, au moins un deuxième canal d'amenée (36) pour une partie du liquide (37) à pulvériser ou pour un deuxième liquide (37') à pulvériser débouchant dans la chambre (39), le liquide (37) ou le deuxième liquide (37') pouvant être amenés sous pression et avec tourbillonnage par ladite partie, l'alésage d'amenée (41) du premier canal d'amenée (42) étant situé sur le même axe (34) que celui de l'alésage (33) de sortie du gicleur, caractérisé en ce que

a) le diamètre de sortie (d_a) de l'alésage (33) de sortie du gicleur est au plus aussi grand que le diamètre (d_z) de l'alésage d'amenée (41), et

b) la longueur (L) de l'alésage (33) de sortie du gicleur correspond au moins à 2 fois et au plus à 10 fois le diamètre de sortie (d_a) de l'alésage (33) de sortie du gicleur.

2. Gicleur de pulvérisation sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre (d_a) de sortie de l'alésage (33) de sortie du gicleur correspond environ à 0,7 fois le diamètre (d_z) de l'alésage d'amenée (41).

3. Gicleur de pulvérisation sous pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alésage (33) de sortie du gicleur est disposé dans le couvercle (32) d'un premier tube (31) dans lequel est inséré un deuxième tube (35) de plus petit diamètre qui s'étend jusqu'audit couvercle (32), tandis que dans l'extrémité du deuxième tube (35) située du côté du couvercle est prévue au moins une fente (38) qui est disposée tangentiellement et forme un canal de tourbillonnage et qui relie l'espace annulaire (36) situé entre le premier tube (31) et le deuxième tube (35) à la chambre (39) de laquelle l'alésage (33) de sortie du gicleur conduit à la chambre extérieure, la chambre (39) étant délimitée essentiellement par le couvercle (32), par les parois intérieures du deuxième tube (35) et par une pièce de remplissage (40) placée dans le deuxième tube (35), l'alésage d'amenée (41) ménagé dans la pièce de remplissage (40) étant disposé sur le même axe (34) que l'alésage (33) de sortie du gicleur.

4. Gicleur de pulvérisation sous pression selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alésage (33) de sortie du gicleur présente une section transversale de surface constante sur toute sa longueur (L).

5. Gicleur de pulvérisation sous pression selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alésage (33) de sortie du gicleur présente une section transversale dont la surface diminue de manière constante dans la direction d'écoulement sur l'ensemble de sa longueur (L).

6. Gicleur de pulvérisation sous pression selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alésage (33) de sortie du gicleur présente sur son extrémité située du côté de l'entrée un rayon d'entrée (R_a) qui est au moins aussi grand que le rayon (R_k) de la chambre (39).

7. Procédé d'utilisation d'un gicleur de pulvérisation sous pression selon l'une des revendications 1 à 6 dans un brûleur à tourbillon stabilisé, dans lequel, lors de l'allumage et en fonctionnement à charge partielle, le gicleur est utilisé dans un étage de tourbillonnage sous pression en apportant une partie du liquide (37) à pulvériser ou une partie du liquide (37') à pulvériser, par l'intermédiaire du canal d'amenée (38) et sous tourbillon, dans la chambre (39) dans laquelle est créé un écoulement fortement tourbillonnaire qui se rend ensuite dans l'espace extérieur par l'alésage (33) de sortie du gicleur, la partie du liquide (37, 37') apportée par l'étage de tourbillonnage diminuant lorsque l'écoulement massique global de liquide augmente, caractérisé en ce qu'en fonctionnement à pleine charge ou en surcharge, le gicleur est utilisé dans un étage à jet plein en apportant le liquide (37) par l'alésage d'amenée (41) dans la chambre (39) pour de là l'amener dans la chambre extérieure sous la forme d'un jet plein par l'alésage (33) de sortie du gicleur.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on passe de manière continue entre les deux étages.

9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux étages peuvent être utilisés simultanément et à des débits variables.

10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on utilise un seul des deux étages.

Zeichnung