Die Erfindung betrifft eine Düse zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, eine Verwendung einer solchen Düse und ein Verfahren zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid.
In der DE 32 35 080 A1 ist eine Rücklaufeinspritzdüse beschrieben, bei der zwei einander entgegengesetzte Flüssigkeitszuführungen tangential in einen kreiszylindrischen Drallraum münden. Mit dem Drallraum ist einerseits ein Einspritzkanal und entgegengesetzt dazu andererseits eine Rücklaufbohrung verbunden. Die Rücklaufeinspritzdüse ist insbesondere für die Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in Gasturbinenbrennkammern geeignet. Eine Zerstäubung wird dadurch erreicht, daß tangential in die Drallkammer Brennstoff einströmt und zu einem Hauptstrom vereinigt wird, wobei durch eine kreisförmige Führung in der Drallkammer dem Hauptstrom ein Drall erteilt wird, der im Einspritzkanal erhalten bleibt, so daß der Brennstoffstrahl beim Austritt des Brennstoffs aus dem Einspritzkanal kegelförmig auffächert. Andererseits wird Brennstoff über die Rücklaufbohrung zurückgeführt. Unter Beibehaltung eines konstanten Brennstoffzustromes zur Rücklaufeinspritzdüse wird die Menge von eingespritztem Brennstoff dadurch gesteuert, daß die Menge an zurückgeführtem Brennstoff eingestellt wird. Ein Zerstäuber mit Rücklaufregelung geht ebenfalls hervor aus der DD 22 076.
In der DE 196 08 349 A1 ist eine Druckzerstäuberdüse, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, beschrieben. Diese Düse weist eine separate Turbulenz- oder Drallkammer auf. Die Drallkammer steht über eine Düsenbohrung mit einem Außenraum in Verbindung, in welchen die zu zerstäubende Flüssigkeit ausströmt. Über einen ersten Zufuhrkanal ist die zu zerstäubende Flüssigkeit der Drallkammer zuführbar. Der erste Zufuhrkanal ist durch eine enge Bohrung realisiert, die turbulenzerzeugend wirkt. Mithin wird der erste Zufuhrkanal auch als Turbulenzzerstäuberstufe bezeichnet. Über einen zweiten Zufuhrkanal ist ebenfalls zu zerstäubende Flüssigkeit unter Druck und mit Drall der Drallkammer zuführbar. Durch eine Anpassung der durch den ersten bzw. durch den zweiten Kanal strömende Flüssigkeitsmassenströme ist die Düse an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassbar. Insbesondere ist beim Einsatz in einem Gasturbinenbrenner ein auf die Nennlastbedingungen angepaßter Düsenvordruck erzeugbar. Je nach Last ist der Spraykegelwinkel und damit der Grad der Zerstäubung anpassbar.
Die DE 44 40 681 C2 zeigt eine Sprühdüse, insbesondere zum Versprühen von Wasser in Brandschutzanlagen. Ähnlich wie in der DE 196 08 349 A1 ist auch in dieser Schrift eine Wirbelkammer vorgesehen, in der sich das zu versprühende Wasser vor dem Austritt sammelt.
Die US-PS 5,035,364 zeigt eine Einrichtung zur Verhinderung einer Konglomeratbildung von in einem Fluidstrom strömenden Festkörperteilchen. Dazu wird dem Fluidstrom durch seitlich einmündende Injektionskanäle Fluid so beigemischt, daß sich eine Wirbelbildung im Hauptstrom ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düse zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid anzugeben. Weitere Aufgaben sind es, eine Verwendung einer solchen Düse sowie ein Verfahren zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Düse zur Eindüsung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Unter einer Mittellinie eines Kanals ist die Linie zu verstehen, die sich aus der Gesamtheit der Schwerpunkte jeder Querschnittsfläche des Kanals ergibt.
Eine an der Mündung liegende Tangente an die zweite Mittellinie ist die Tangente an die zweite Mittellinie in jenem Punkt, in dem die zweite Mittellinie von der Mündungsfläche geschnitten wird. Die Mündungsfläche ist die Fläche, die durch den Rand der an der Mündung endenden Wand des zweiten Kanals eingeschlossen ist.
Der Ausdruck "strömungstechnisch parallel geschaltet" ist in Analogie zu einer elektrischen Schaltung zu sehen. Der erste Kanal entspricht einer elektrischen Leitung, der eine zweite elektrische Leitung, die dem zweiten Kanal entspricht, bis zu einer Zusammenschaltung der beiden Leitungen parallel geschaltet ist. Der erste und der zweite Kanal dienen vor der Mündung der Führung voneinander getrennter Teilströme des ersten Fluids, die an der Mündung vereinigt werden. Diese Teilströme entsprechen elektrischen Strömen durch die beiden Leitungen vor ihrer Zusammenschaltung.
Dadurch, daß die an der Mündung liegende Tangente der zweiten Mittellinie von der ersten Mittellinie beabstandet ist, ergibt sich eine exzentrische Einmündung des zweiten Kanals in den ersten Kanal. Mit einer solchen Düse wird einem im ersten Kanal strömenden Fluidstrom durch die zum ersten Kanal exzentrische Einmündung eines im zweiten Kanal strömenden Fluidstroms ein Drall aufgeprägt. Dem im ersten Kanal strömenden Fluidstrom wird also zusätzlich zu seinem in Strömungsrichtung gerichteten Impuls ein Drehimpuls erteilt. Bei einem Austritt des so drallbehafteten Fluidstroms aus der Düse fächert der Fluidstrom kegelförmig auf. Dabei wird die aus dem Impuls in Hauptströmungsrichtung resultierende Wurfweite des Strahls im wesentlichen beibehalten. Die Wurfweite ist jene Länge, die der Strahl maximal in seiner beim Austritt aus der Düse weisenden Hauptströmungsrichtung vom Düsenaustritt zurücklegt. Durch die im wesentlichen beibehaltene Wurfweite und durch die gleichzeitige Strahlauffächerung durch den Drall ist es insbesondere möglich, eine gute Durchmischung des ersten Fluids mit dem zweiten Fluid über die gesamte Wurfweite zu erhalten. Dies ist insbesondere bei einer Eindüsung von Brennstoff als erstem Fluid in Verbrennungsluft als zweitem Fluid von Bedeutung. Eine solche Eindüsung wird beispielsweise bei einem Brenner einer Gasturbine benutzt. Eine feine Verteilung von Brennstoff und Verbrennungsluft ergibt eine gleichmäßige Verbrennungstemperatur und damit geringe Stickoxidbildung.
Bevorzugt ist der Düsenkörper entlang einer Düsenachse gerichtet, wobei der erste Kanal entlang der Düsenachse führt. Insbesondere fällt die Mittellinie des ersten Kanals mit der Düsenachse zusammen. Damit ist ein im ersten Kanal strömender Fluidstrom ein gerade gerichteter Strom mit einem hohen Impuls in Strömungsrichtung.
Weiter bevorzugt weist der erste Kanal eine Hauptquerschnittsfläche und der zweite Kanal eine Nebenquerschnittsfläche auf, die kleiner als die Hauptquerschnittsfläche ist. Dadurch fließt im zweiten Kanal ein geringerer Massenstrom des ersten Fluids als im ersten Kanal. Damit wird der Impuls des im ersten Kanal fließenden Teilstroms des ersten Fluids auch bei einer Einmündung eines im zweiten Kanal strömenden Teilstroms des ersten Fluids im wesentlichen beibehalten, wodurch die erzielbare Wurfweite im wesentlichen erhalten wird.
Bevorzugt die Mündung einen größten Mündungsdurchmesser aufweist, wobei sich der erste Kanal stromab der Mündung über mindestens eine solche Länge erstreckt, daß sich ein Teilstrom des ersten Fluids im ersten Kanal mit einem Teilstrom des ersten Fluids aus dem zweiten Kanal zu einem einzigen, sich beim Austritt aus der Düse nicht aufspaltenden, Hauptstrom vereinigt, höchstens aber über eine Länge, über die ein Drall des Hauptstromes noch erhalten bleibt, insbesondere über eine Länge von dem drei- bis vierfachen des größten Mündungsdurchmessers.
Es wird so einerseits erreicht, daß sich bei Austritt des ersten Fluids aus der Düse nur ein einziger, kegelförmig auffächender Strahl ergibt, daß also keine Aufspaltung in zwei getrennte Teilstrahlen erfolgt. Andererseits bleibt der an der Mündung dem Hauptstrom erteilte Drall erhalten, daß heißt der Drall wird nicht durch eine Führung in einem zu langen Kanal abgebaut.
Bevorzugtermaßen schließt der mit dem zweiten Kanal parallel geschaltete erste Kanal an der Mündung mit dem zweiten Kanal einen Winkel zwischen 5° und 90°, insbesondere zwischen 35° und 55°, ein. Durch einen solchen Einströmwinkel wird besonders gut einerseits ein Drall auf einen im ersten Kanal strömenden Teilstrom des ersten Fluids erteilt. Andererseits wird gleichzeitig ein in Strömungsrichtung des im zweiten Kanal strömenden zweiten Teilstroms des ersten Fluids gerichteter Impuls übertragen, so daß sich an der Mündung nur ein geringer zusätzlicher, aus der Vereinigung der Teilströme resultierender Strömungswiderstand ergibt.
Weiter bevorzugt weist der erste Kanal einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt auf, wobei der zweite Kanal im wesentlichen tangential in den ersten Kanal mündet. Tangential bedeutet, daß es in einer die Mündung teilenden, senkrecht zur ersten Mittellinie gerichteten Ebene eine gemeinsame Tangente an die Oberfläche des ersten und zweiten Kanals gibt. Eine solche tangentiale Einmündung verursacht eine besonders große Drallübertragung auf einen im ersten Kanal strömenden Teilstrom des ersten Fluids.
Bevorzugtermaßen mündet ein dritter Kanal in den ersten Kanal an einer Zusatzmündung, wobei die Zusatzmündung bezüglich der Mittellinie des ersten Kanals der Mündung gegenüberliegt. Insbesondere ist die Strömungsrichtung eines im dritten Kanal strömenden Teilstromes des ersten Fluids der Strömungsrichtung eines im zweiten Kanal strömenden Teilstromes des ersten Fluids ungefähr entgegengesetzt. Ein so angeordneter weiterer Kanal erhöht den Drallübertrag auf einen im ersten Kanal strömenden Fluidstrom und führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung des ersten Fluids über den Umfang des sich beim Austritt des ersten Fluids aus der Düse ausbildenden Spritzkegels.
Weiter bevorzugt ist jeder Kanal als kreissymmetrische Bohrung ausgeführt. Bevorzugt weist der Düsenkörper eine Außenfläche auf, die zumindest teilweise als ein Gewinde ausgebildet ist. Ein so gestalteter Düsenkörper ermöglicht einen einfachen Einbau der Düse z.B. in einen Brenner durch einfaches Einschrauben des Düsenkörpers.
Bevorzugtermaßen wird die Düse zur Eindüsung von Brennstoff in Verbrennungsluft in einem Brenner, insbesondere in einem Vormischbrenner einer Gasturbine, eingesetzt. Dabei ist das erste Fluid Brennstoff und das zweite Fluid Verbrennungsluft. Ein Vormischbrenner zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß Brennstoff und Verbrennungsluft zunächst gemischt und erst dann einer Verbrennung zugeführt werden. Das Prinzip eines Vormischbrenners ist beschrieben in dem Artikel "Progress in Nox and CO Emission Reduction of Gas Turbines", H. Maghon, P. Berenbrink, H. Termühlen und G. Gartner, ASME/IEEE Power Generations Conference, Boston 1990, worauf hiermit explizit Bezug genommen wird.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11.
Eine solche Zusammenführung zweier Teilströme resultiert in einem drallbehafteten Hauptstrom. Ein solcher Drall bewirkt, wie oben bereits näher erläutert, eine Auffächerung des aus der Düse austretenden Hauptstroms. Diese Auffächerung führt wiederum zu einer guten Durchmischung des ersten Fluids mit dem zweiten Fluid.
Bevorzugtermaßen werden der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom unter einem Winkel zwischen 5° und 90° , insbesondere zwischen 35° und 55°, zusammengeführt.
Eine solche Vereinigung zweier Teilströme bewirkt, daß ein großer Impuls in Strömungsrichtung der zusammengeführten Teilströme beibehalten wird.
Bevorzugt ist das erste Fluid Brennstoff und das zweite Fluid Verbrennungsluft, wobei der Brennstoff in einer Düse eines Brenners, insbesondere eines Vormischbrenners einer Gasturbine, geführt und in die Verbrennungsluft eingedüst wird.
Die Düse und das Verfahren werden anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. In Figur 1 ist eine Seitenansicht einer in einem Luftkanal 12 eines nicht weiter dargestellten Vormischbrenners eingebauten Düse 1 abgebildet. Der Luftkanal 12 ist nicht maßstäblich abgebildet. Ein Düsenkörper 2 ist entlang einer Achse 2a gerichtet und besteht aus einem zylindrischen Kopfteil 2b mit einer Stirnseite 2e und einem ebenfalls zylindrischen, etwa gleich langen Schraubenteil 2c mit einem Außengewinde 7, mit dem die Düse 1 in eine Wand 12b des Luftkanals 12 eingeschraubt ist und einer Stirnseite 2d. Das Schraubenteil 2c weist ungefähr 2/3 des Durchmessers des Kopfteils 2b auf. Das Schraubenteil 2c schließt sich an einer Fußfläche 2f des Kopfteils 2b an das Kopfteil 2b an. Das Gewinde 7 weist einander bezüglich der Achse 2a gegenüberliegende Schlitze 7a, 7b auf. Die Schlitze 7a, 7b erstrecken sich jeweils parallel zur Achse 2a von der Stirnseite 2d des Schraubenteils 2c bis über ca. 4/5 der Länge des Schraubenteils 2c. Das Kopfteil 2b weist eine im Querschnitt sechsekkige, im folgenden als Innensechskant 6 bezeichnete Vertiefung entlang der Achse 2a mit etwa dem halben Durchmesser des Durchmessers des Kopfteils 2b auf. Der Innensechskant 6 erstreckt sich in seiner Tiefe etwa über 2/3 der Länge des Kopfteils 2b und dient dem Eingriff eines Werkzeugs zum Einschrauben der Düse 1 in die Wand 12b des Luftkanals 12. An den Innensechskant 6 schließt sich ein im Querschnitt kreisförmiger erster Kanal 3 entlang der Achse 2a mit einem Durchmesser 3b von ungefähr 1/8 des Durchmessers des Kopfteils 2b an. Der erste Kanal 3 erstreckt sich mit diesem Durchmesser 3b bis in das Schraubenteil 2c hinein und verjüngt sich anschließend auf einer kurzen Strecke um ungefähr 2/3 auf einen Durchmesser 3c. Der erste Kanal 3 führt durch das Schraubenteil 2c entlang der Achse 2a bis zur Stirnseite 2d des Schraubenteiles 2c. Der erste Kanal 3 weist eine erste Mittellinie 3a auf, die mit der Achse 2a zusammenfällt. Ein zweiter, im Querschnitt kreisförmiger Kanal 4 erstreckt sich unter einem Winkel α (s. Fig. 3) zur Achse 2a durch das Schraubenteil 2c von dem Schlitz 7a bei etwa der Hälfte der Länge des Schraubenteils 2c bis zur Fußseite 2f des Kopfteiles 2b. Hier mündet er an einer Mündung 5 in den ersten Kanal 3, der dort den Durchmesser 3b aufweist. Der zweite Kanal 4 ist entlang einer zweiten Mittellinie 4a gerichtet. Die zweite Mittellinie 4a weist an der Mündung eine Tangente 4b auf, die mit der zweiten Mittellinie 4a zusammenfällt, da die zweite Mittellinie 4a eine Gerade ist. Die Tangente 4b ist von der ersten Mittellinie 3a mit dem Abstand a (s. Fig. 2) beabstandet. Ein dritter, im Querschnitt kreisförmiger Kanal 4' erstreckt sich vom Schlitz 7b entlang einer dritten Mittellinie 4a', und mündet an einer Zusatzmündung 5' in den ersten Kanal 3. Der dritte Kanal 4' ist bezüglich der Achse 2a symmetrisch zum zweiten Kanal 4 angeordnet. Die dritte Mittellinie 4a' weist an der Zusatzmündung 5' eine Tangente 4b' auf, die mit der dritten Mittelinie 4a' zusammenfällt und zur ersten Mittellinie 3a mit dem Abstand a (s. Fig. 2) beabstandet ist. Die Düse 1 mündet in einen senkrecht zur Achse 2a gerichteten Luftkanal 12 mit einer Luftkanalbreite 12a.
Bei einer Verwendung der Düse 1 in einem nicht dargestellten Brenner, z.B. in einem Vormischbrenner einer Gasturbine, durchströmt Brennstoff 10 von der Stirnseite 2d des Schraubenteils 2c den ersten Kanal 3 bis zur Stirnseite 2e des Kopfteils 2b. Dort tritt der Brennstoff 10 als Brennstoffstrahl 10d in den Luftkanal 12 ein, in dem Verbrennungsluft 11 ungefähr senkrecht zur Richtung des Brennstoffstrahles strömt. Teilströme 10b des Brennstoffes 10 werden über die Schlitze 7a und 7b dem zweiten Kanal 4 bzw. dem dritten Kanal 4' zugeführt. An der Mündung 5 bzw. an der Zusatzmündung 5' tritt dieser Teilstrom 10b in den ersten Kanal 3, in dem ein Teilstrom 10a des Brennstoffes 10 fließt, exzentrisch ein. Die Teilströme 10b und 10a werden zu einem Hauptstrom 10c vereinigt. Durch die exzentrische Einströmung wird dem Hauptstrom 10c ein Drall aufgeprägt. Der drallbehaftete, vereinigte Hauptstrom 10c tritt als Brennstoffstrahl 10d aus der Düse 1 aus und fächert dabei durch den Drall auf, hat aber noch einen so großen Impuls in Hauptströmungsrichtung, daß sich der Brennstoffstrahl 10d über nahezu die ganze Breite 12a des Luftkanals 12 erstreckt. Damit ergibt sich eine gute Durchmischung von Brennstoff 10 und Verbrennungsluft 11 über nahezu die ganze Luftkanalbreite 12a. Der Schraubenteil 2c ist gegenüber dem Luftkanal 12 an der Fußseite 2f des Kopfteils 2b abgedichtet.
In Figur 2 ist ein Querschnitt durch die Düse 1 aus Figur 1 im doppelt so großen Maßstab dargestellt. Zur besseren Veranschaulichung sind die Kanäle 4, 4' in die Querschnittsebene geschwenkt. In den ersten Kanal 3 münden tangential der zweite Kanal 4 und der dritte Kanal 4'. Die zweite Mittellinie 4a des zweiten Kanals 4 weist an der Mündung 5 eine Tangente 4b und die dritte Mittellinie 4a' des dritten Kanals 4' an der Mündung 5' eine Tangente 4b' auf, die jeweils mit den Mittellinien 4a und 4a' zusammenfallen, da diese Geraden sind. Die Tangenten 4b bzw. 4b' sind mit einem Abstand a von der Mittellinie 3a des Kanals 3 beabstandet. Durch diese exzentrische Mündung der Kanäle 4 und 4' in den ersten Kanal 3 wird dem im ersten Kanal 3 strömenden Teilstrom 10a des Brennstoffs 10 durch die jeweils vom zweiten Kanal 4 und vom dritten Kanal 4' zuströmende Teilströme 10b des Brennstoffes 10 ein Drall erteilt. Dabei wird der Impuls des Teilstromes 10a des Brennstoffes 10 im ersten Kanal 3 entlang der Mittellinie 3a im wesentlichen beibehalten. Der vereinigte Hauptstrom 10c wird noch über eine Länge 5b des ersten Kanals 3 geführt, um eine Aufspaltung in zwei Teilstrahlen bei Austritt des Brennstoffes 10 aus dem ersten Kanal 3 zu vermeiden. Damit tritt der in Kanal 3 vereinigte Hauptstrom 10c als Brennstoffstrahl 10d weit in die Verbrennungsluft 11 aus, so daß sich der Brennstoffstrahl 10d über nahezu die ganze Breite 12a des Luftkanals erstreckt. Somit kann über eine große Strecke Verbrennungsluft 11 mit Brennstoff 10 vermischt werden. Der dem Hauptstrom 10c erteilte Drall führt dabei zu einer kegelförmigen Auffächerung des aus der Düse 1 austretenden Brennstoffstrahls 10d und damit zu einer Feinverteilung von Brennstoff 10.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Düse 1 in einer Seitenansicht. Die Düse 1 ist bis auf eine andere Brennstoffzuführung zu den Kanälen 4 und 4' baugleich zu der Düse 1 aus Figur 1. Zwei zum ersten Kanal 3 parallele Sacklochbohrungen 9 bzw. 9' im Schraubenteil 2c erstrecken sich jeweils von der Stirnfläche 2d des Schraubenteiles 2c über nahezu die ganze Länge des Schraubenteils 2c, wobei die Sacklochbohrung 9 den zweiten Kanal 4 und die Sacklochbohrung 9' den dritten Kanal 4' schneidet. Den Kanälen 4 bzw. 4' wird Brennstoff 10 über die Sacklochbohrung 9 bzw. 9' zugeführt.