Vorrichtung und Verfahren zur elektrostatischen Zerstäubung eines flüssigen Mediums

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Zerstäubung eines flüssigen Mediums. Die Vorrichtung setzt sich aus einem elektrisch leitfähigen Düsenkörper (1) mit einem Innenvolumen (4) zur Aufnahme des flüssigen Mediums, zumindest einer Düsenöffnung (2) sowie einer koaxial zu einer Längsachse (1a) des Düsenkörpers (1) im Innenvolumen (4) angeordneten Hochspannungselektrode (3) zusammen. Die Hochspannungselektrode (3) weist im Bereich ihrer größten lateralen Ausdehnung eine umlaufende scharfe Kante (3a) auf, die in geringem Abstand zum Düsenkörper (1) verläuft, um die elektrostatische Aufladung des vorbeiströmenden flüssigen Mediums bewirken zu können.
Durch diesen Aufbau wird die elektrostatische Zerstäubung auch bei Mehrloch-Düsen auf einfache Weise ermöglicht, so dass die elektrostatische Zerstäubung im Bereich der Gasturbinentechnik auch zur Verbesserung der Einspritzung im Start- und Teillastbereich eingesetzt werden kann.

Beschreibung

Technisches Anwendungsgebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur elektrostatischen Zerstäubung eines flüssigen Mediums, wobei die Vorrichtung einen elektrisch leitfähigen Düsenkörper mit einem Innenvolumen zur Aufnahme des flüssigen Mediums, zumindest eine Düsenöffnung für den Austritt des flüssigen Mediums sowie eine koaxial zu einer Längsachse des Düsenkörpers im Innenvolumen angeordnete Hochspannungselektrode aufweist, mit der vorbeiströmendes flüssiges Medium unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung elektrostatisch aufgeladen wird.

[0002] Die Vorrichtung und das zugehörige Verfahren werden insbesondere in Strömungsmaschinen, wie Gas-oder Dampfturbinenanlagen, zum Einspritzen bzw. Eindüsen des flüssigen Brennstoffs eingesetzt.

Stand der Technik

[0003] Für die Zerstäubung eines flüssigen Mediums wie beispielsweise eines Flüssigbrennstoffes werden häufig Druckzerstäuber eingesetzt, bei denen das flüssige Medium unter hohem Druck dem Innenvolumen eines Düsenkörpers zugeführt wird und bei der anschließenden Expansion durch die Düsenöffnung in feine Tropfen zerstäubt. Zur Unterstützung dieser Zerstäubung ist es bekannt, das flüssige Medium über eine Hochspannungselektrode vor dem Austritt aus der Düse zusätzlich elektrostatisch aufzuladen. Diese elektrostatische Aufladung bewirkt aufgrund der abstoßenden Kräfte der Ladungen eine bessere und feinere Zerstäubung.

[0004] So zeigt die DE 41 06 564 A1 eine Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff, die eine Zerstäuberdüse umfasst. Die Düse besteht aus einem elektrisch leitfähigen Düsenkörper, der auf Massepotential liegt und eine Düsenöffnung zum Austreten eines unter Druck stehenden Flüssigkeitsvolumens aufweist. Im Innenvolumen des Düsenkörpers ist eine der Düsenöffnung koaxial gegenüberliegende Elektrode angeordnet, die auf einem Hochspannungspotential liegt. Die Elektrode weist eine Kegelspitze auf, die unmittelbar an der Austrittsöffnung des kegelstumpfförmig zulaufenden Düsenkörpers positioniert ist. Durch die sehr hohen elektrischen Felder an dieser Kegelspitze der Elektrode wird die vorbeiströmende Flüssigkeit unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung elektrostatisch aufgeladen. Aufgrund dieser elektrostatischen Aufladung zerstäubt die Flüssigkeit nach Austritt aus der Düsenöffnung zu einem sehr feinen Sprühnebel. Eine ähnliche Vorrichtung ist der DE 41 06 563 A1 zu entnehmen.

[0005] Die US 4,051,826 zeigt eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinderraum einer Verbrennungsmaschine. Die hierbei eingesetzte Düse weist mehrere Düsenöffnungen auf, deren Begrenzungen als scharfe Kanten ausgebildet sind. Bei dieser Vorrichtung wird das Gehäuse mit einem Hochspannungspotential beaufschlagt, so dass an den Austrittsöffnungen sehr hohe elektrische Felder herrschen, die ebenfalls zu einer elektrostatischen Aufladung der austretenden Flüssigkeit führen. Aufgrund einer fehlenden hohen Potentialdifferenz an diesen Austrittsöffnungen ist die Größe der elektrostatischen Aufladung allerdings nur gering.

[0006] Gerade auf dem bevorzugten Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, der Gas- oder Dampfturbinentechnik, spielt die Qualität der Zerstäubung der eingesetzten flüssigen Kraftstoffe eine wesentliche Rolle für die Stabilität der Verbrennung, den Wirkungsgrad sowie die erzeugten Schadstoffemissionen. Bei mager vorgemischten Gasturbinenbrennern kommen hierbei häufig Mehrloch-Druckdüsen zum Einsatz, um eine gute Verteilung des Brennstoffes in der Verbrennungsluft zu erreichen.

[0007] Bei derartigen Mehrloch-Druckdüsen wirkt sich - wie auch bei Einloch-Druckdüsen - nachteilig aus, dass die Zerstäubungsqualität vom Druck des zu zerstäubenden flüssigen Mediums bzw. Brennöls und somit vom Öldurchsatz abhängig ist. In Gasturbinen mit Druckdüsen wirkt sich dieser Umstand besonders negativ auf das Start- und Teillastverhalten aus, da unter diesen Bedingungen die Öldurchsätze gering sind. Dies kann anhand der Fig. 1 erkannt werden, die den relativen Brennstoff-Massenstrom (m_brennstoff) bzw. Brennstoffdruck (p_brennstoff) in Abhängigkeit von der Gasturbinenleistung aufzeigt. Gerade bei niedrigem Druck lässt hierbei die Zerstäubungsqualität herkömmlicher Druckdüsen zu wünschen übrig.

[0008] Bisher wird bei derartigen Gasturbinen-Brennstoffsystemen deshalb in der Regel der Brennstoff in verschiedenen Düsenstufen zugeführt. Eine Pilotstufe deckt den Start- und unteren Teillastbereich ab. Die weitere Hauptstufe ist für den Betrieb des oberen Teillastbereiches sowie die Volllast vorgesehen. Für beide Stufen sind jedoch separate Brennstoffzuführ- und -regelsysteme erforderlich, so dass der Aufwand für die Bereitstellung eines derartigen Brennstoffsystems relativ hoch ist.

[0009] Aus dem oben genannten Stand der Technik sind zwar elektrostatische Einloch-Düsen bekannt, die zu einer Erhöhung der Zerstäubungsqualität führen, jedoch sind diese Düsenkonstruktionen nicht ohne weiteres auf Mehrloch-Düsen übertragbar. So müsste für jede Düsenöffnung eine entsprechende Elektrode mit kegelförmiger Spitze vorgesehen werden, die genau über der jeweiligen Düsenöffnung positioniert ist. Dies erhöht jedoch den Aufwand bei der Herstellung der Düsen und führt gerade bei den in Brennkammern von Gas- und Dampfturbinen auftretenden sehr hohen Temperaturen zu Zuverlässigkeitsproblemen aufgrund des thermischen Verzuges.

[0010] Die andererseits durch die zweite genannte Veröffentlichung aufgezeigte Konstruktion einer Mehrloch-Düse führt bei vertretbaren Hochspannungswerten nicht zu einer zufrieden stellenden elektrostatischen Aufladung des flüssigen Mediums.

Beschreibung der Erfindung

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum elektrostatischen Zerstäuben eines flüssigen Mediums bereitzustellen, die insbesondere den Einsatz einer Mehrloch-Druckdüse ermöglichen und eine ausreichende Zerstäubungsqualität auch beim Starten und bei Teillast einer Strömungsmaschine zu liefern imstande sind.

[0012] Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des zugehörigen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0013] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubung eines flüssigen Mediums besteht aus einem elektrisch leitfähigen Düsenkörper, der ein Innenvolumen zur Aufnahme des flüssigen Mediums aufweist, zumindest einer Düsenöffnung für den Austritt des flüssigen Mediums sowie einer koaxial zu einer Längsachse des Düsenkörpers im Innenvolumen angeordneten Hochspannungselektrode. Die Hochspannungselektrode ist derart angeordnet, dass sie vorbeiströmendes flüssiges Medium unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung bzw. den Düsenöffnungen bei Anlegen einer Hochspannung derart elektrostatisch aufladen kann, dass die Zerstäubungsqualität aufgrund dieser elektrostatischen Aufladung erhöht wird. Selbstverständlich wird hierfür der elektrisch leitfähige Düsenkörper auf Massepotential gelegt, um eine ausreichende Größe des elektrischen Feldes zwischen Hochspannungselektrode und Düsenkörper im Bereich der Düsenöffnung zu erzeugen. Erfindungsgemäß weist die Hochspannungselektrode im Bereich ihrer größten lateralen Ausdehnung - in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Düsenkörpers - eine umlaufende scharfe Kante auf, die in geringem Abstand zum Düsenkörper verläuft, um die elektrostatische Aufladung des vorbeiströmenden flüssigen Mediums bewirken zu können. Unter einer scharfen Kante ist hierbei in jedem Fall ein spitzer Kantenwinkel, d.h. ein Kantenwinkel von weniger als 90° zu verstehen. Die scharfe Kante kann hierbei selbstverständlich auch einen gezackten Verlauf mit Spitzen aufweisen.

[0014] Es versteht sich von selbst, dass diese Kante in unmittelbarer Nachbarschaft zu der oder den Düsenöffnungen verlaufen muss, um die gewünschte elektrostatische Aufladung des flüssigen Mediums unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung bewirken zu können.

[0015] Vorzugsweise handelt es sich bei der Vorrichtung um eine Mehrloch-Düse, deren Düsenöffnungen in oder nahe der Ebene angeordnet sind, in der die scharfe Kante der Hochspannungselektrode verläuft. Hierbei ist es auch möglich, mehrere Reihen von Düsenöffnungen vorzusehen, die in Längsrichtung des Düsenkörpers voneinander beabstandet sind, wobei dann für jede Reihe eine gesonderte umlaufende scharfe Kante an der Hochspannungselektrode ausgebildet ist.

[0016] Weiterhin kann eine zentrale Austrittsöffnung auf der Längsachse des Düsenkörpers ausgebildet sein. Eine derartige zentrale Düsenöffnung wird durch eine zusätzliche Spitze an der Hochspannungselektrode in diesem Bereich mit einem elektrischen Feld beaufschlagt, wie dies aus dem Stand der Technik bei Einloch-Düsen bekannt ist.

[0017] Vorzugsweise ist der Düsenkörper rotationssymmetrisch um seine Längsachse ausgebildet und weist eine sich verjüngende, beispielsweise kegelstumpfartige, Form im Bereich der Düsenöffnungen auf. Bei einer rotationssymmetrischen Ausgestaltung des Düsenkörpers bzw. des Innenvolumens ist die vorliegende Hochspannungselektrode vorzugsweise annähernd tellerförmig ausgebildet. Eine derartige Ausgestaltung lässt sich technisch sehr einfach realisieren und ist unempfindliche gegenüber thermischem Verzug.

[0018] Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das flüssige Medium dem Innenvolumen unter Druck zugeführt, der Düsenkörper auf Massepotential gelegt und die Hochspannungselektrode mit einer Hochspannung beaufschlagt, die eine elektrostatische Aufladung des flüssigen Mediums in einer Größe bewirkt, die aufgrund der zusätzlichen elektrostatischen Aufladung zu einem Zerplatzen von aus der oder den Düsenöffnungen austretenden Tropfen führt.

[0019] In einer besonderen Ausführungsform des Betriebsverfahrens dieser Zerstäubungsvorrichtung wird die Hochspannungselektrode mit einer gepulsten Hochspannung mit variablem Tastverhältnis (Dauer der Hochspannung / Periodendauer) und / oder variabler Hochspannung beaufschlagt, wobei die Zerstäubungsqualität durch Veränderung des Tastverhältnisses der Hochspannung gezielt beeinflusst wird. Auch eine gezielte Modulation der Hochspannung und/oder der Tastrate durch eine bestimmte Pulsfrequenz ist denkbar. Eine derartige Einflussnahme bietet sich insbesondere zur Dämpfung von Verbrennungsinstabilitäten beim Betrieb einer Gas- oder Dampfturbinenanlage an, wobei im Start- oder Teillastbetrieb aufgrund des niedrigeren Brennstoffdruckes das Tastverhältnis erhöht und bei stärkerem Teillast- oder Volllastbetrieb das Tastverhältnis erniedrigt wird. Durch diese Maßnahme kann eine annähernd konstante Zerstäubungsqualität während des gesamten Betriebsbereiches erreicht werden, da im Volllastbetrieb der hohe Druck bereits ohne elektrostatische Zerstäubung zu einer hohen Zerstäubungsqualität führt, während bei niedrigerem Druck im Start- oder niederen Teillastbetrieb die geringere Druckzerstäubungsqualität durch die zusätzliche elektrostatische Zerstäubung erhöht wird.

[0020] Eine Veränderung der Zerstäubung im Teillastbetrieb kann auch durch Veränderung der Hochspannung beeinflusst werden, beispielsweise indem diese von 10 kV auf > 20kV erhöht wird.

[0021] Die vorliegende Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren zeichnen sich daher durch eine einfache Konstruktion aus, die insbesondere das Prinzip der elektrostatischen Zerstäubung auch bei Mehrloch-Druckdüsen ermöglicht. Der Aufbau der Vorrichtung mit der umlaufenden scharfen Kante ist wesentlich unempfindlicher gegen thermischen Verzug als ein Aufbau mit für jede Düsenöffnung getrennt vorgesehenen Kegelspitzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0022] Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1

ein Beispiel für den relativen Brennstoff-Massenstrom und -druck in Abhängigkeit von der Leistung einer Gasturbine;

Fig. 2

schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2a

schematisch den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3

schematisch eine Prinzipdarstellung des elektrostatischen Zerstäubens;

Fig. 4

Beispiele für die Wirkung des Einsatzes der vorliegenden Vorrichtung auf die Zerstäubungsqualität und

Fig. 5

Die Ansicht einer Hochspannungselektrode mit einem gezacktem Verlauf der scharfen Kante gemäss der Ansicht V-V der Figur 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0023] Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Abhängigkeit des Brennstoffdrucks beim Betrieb einer Gasturbine von der Gasturbinenleistung. In der Figur ist deutlich zu erkennen, dass bei niedriger Gasturbinenleistung im Start- oder Teillastbetrieb ein deutlich geringerer Brennstoffdruck vorherrscht als bei höherer Gasturbinenleistung oder bei Volllastbetrieb. In der Figur sind hierbei die Werte für den relativen Brennstoff-Massenstrom (m_brennstoff) und Brennstoffdruck (p_brennstoff) in Abhängigkeit von der Gasturbinenleistung dargestellt. Aufgrund des dargestellten Zusammenhangs ist ersichtlich, dass der Druck in der Zerstäuberdüse je nach Betriebszustand der Gasturbine sehr unterschiedliche Werte annehmen kann, so dass die Zerstäubungsqualität der Druckzerstäubung gerade bei niedriger Gasturbinenleistung nicht zufrieden stellend ausfällt.

[0024] Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung bzw. Zerstäuberdüse, mit der die Zerstäubungsqualität gerade im Start- oder Teillastbetrieb einer Gasturbine deutlich erhöht werden kann. Die Figur zeigt den vorderen Bereich des elektrisch leitfähigen Düsenkörpers 1, der das Innenvolumen 4 zur Aufnahme des flüssigen Mediums, beispielsweise eines Brennöles oder eines anderen nicht leitenden Zerstäubungsmediums, umschließt. Der Düsenkörper ist im vorliegenden Beispiel rotationssymmetrisch um seine Längsachse 1a ausgebildet. Im vorderen Bereich sind Düsenöffnungen 2 für den Austritt des flüssigen Mediums vorgesehen. Das ausgetretene elektrostatisch zerstäubte Spray 5 ist hierbei schematisch angedeutet. Im Innenvolumen 4 ist eine Hochspannungselektrode 3 angeordnet, um das vorbeiströmende flüssige Medium unmittelbar vor dem Austritt aus den Düsenöffnungen 2 elektrostatisch aufzuladen. Die Hochspannungselektrode 3 ist tellerförmig ausgebildet und weist im Bereich ihrer größten lateralen Ausdehnung eine umlaufende scharfe Kante 3a auf. Die Ebene, in der diese scharfe Kante 3a verläuft, entspricht im Wesentlichen der Ebene, in der die Düsenöffnungen 2 am Düsenkörper 1 verteilt angeordnet sind. Unter einer scharfen Kante 3a ist hierbei in jedem Fall ein spitzer Kantenwinkel, d.h. ein Kantenwinkel von weniger als 90° zu verstehen. Wie aus der Figur 5 ersichtlich ist, welche die Ansicht gemäss der Linie V-V der Figur 2 darstellt, kann die scharfe Kante 3a hierbei selbstverständlich auch einen gezackten Verlauf mit Spitzen aufweisen.

[0025] Es versteht sich von selbst, dass diese Kante 3a in unmittelbarer Nachbarschaft zu der oder den Düsenöffnungen 2 verlaufen muss, um die gewünschte elektrostatische Aufladung des flüssigen Mediums unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung bewirken zu können.

[0026] Gemäss der Fig. 2a kann weiterhin eine zentrale Düsenöffnung 2a auf der Längsachse 1a des Düsenkörpers 1 ausgebildet sein. Eine derartige zentrale Düsenöffnung 2a wird durch eine zusätzliche Spitze 3b an der Hochspannungselektrode 3 in diesem Bereich mit einem elektrischen Feld beaufschlagt, wie dies aus dem Stand der Technik bei Einloch-Düsen bekannt ist.

[0027] Wird an diese Hochspannungselektrode 3 eine Hochspannung angelegt, so bildet sich an der scharfen Kante 3a ein elektrisches Feld mit besonders hoher Feldstärke aus. Diese hohe Feldstärke ermöglicht das Austreten von Elektronen aus der Elektrode und somit eine Aufladung des Öles, welches die Elektrode umströmt. Durch die Nähe der scharfen Kante 3a zum Düsenkörper 1, der auf Massepotential liegt, und den Düsenöffnungen 2 wird das Brennöl unmittelbar vor dem Austritt aus den Düsenöffnungen elektrostatisch aufgeladen, so dass es diese elektrostatische Aufladung beim Austritt aus der Düse im Wesentlichen noch beibehalten kann.

[0028] Der Abstand der scharfen Kante 3a vom Düsenkörper 1 muss in Abhängigkeit von der angelegten Hochspannung und den elektrischen Eigenschaften des eingesetzten flüssigen Mediums selbstverständlich so gewählt werden, dass kein elektrischer Durchschlag zum Düsenkörper 1 stattfindet. Auf der anderen Seite muss diese scharfe Kante 3a möglichst nahe am Düsenkörper 1 positioniert werden, um die gewünschte Größe des elektrischen Feldes erreichen zu können. In der Regel werden beim Einsatz einer derartigen Mehrloch-Düse in Brennern von Gasturbinen eine Hochspannung U > 10 kV und ein Abstand in der Größenordnung von 1 mm zwischen der scharfen Kante 3a und dem Düsenkörper 1 gewählt werden.

[0029] Fig. 3 zeigt das Wirkungsprinzip der elektrostatischen Aufladung bei der elektrostatischen Zerstäubung. Im linken Teil ist hierbei ein nicht elektrostatisch geladener Tropfen 6 schematisch dargestellt, in dem lediglich die Oberflächenspannungskräfte F_i wirken, die den Tropfen zusammenhalten (durch Pfeile angedeutet). Durch die gleichpolige Aufladung des Öles beim Durchgang durch die erfindungsgemäße Düse wirken innerhalb der Fluidelemente sich gegenseitig abstoßende elektrostatische Kräfte F_el. Sind diese Kräfte nach dem Austreten aus der Düse größer als die Oberflächenspannungskräfte F_i, welche den Tropfen zusammenhalten, kommt es zum Zerplatzen des Tropfens. Die rechte Seite der Fig. 3 zeigt hierbei die zusätzlich wirkenden elektrostatischen Kräfte F_el in einem elektrostatisch aufgeladenen Tropfen 7. Die Tropfen 7 werden solange zerplatzen, bis die Ladungskräfte innerhalb des Tropfens kleiner als die Oberflächenspannungskräfte sind und der Tropfen somit stabil ist.

[0030] Mit der vorgeschlagenen Technik gelingt es auch bei geringerem Druck in der Düse ausreichende Zerstäubungsgüten zu erreichen. Somit ist eine Entkopplung von Durchsatz des flüssigen Mediums und Zerstäubung bzw. Zerstäubungsqualität möglich.

[0031] In einer besonderen Ausführungsform des Betriebsverfahrens dieser Zerstäubungsvorrichtung wird die Hochspannungselektrode 3 mit einer gepulsten Hochspannung mit variablem Tastverhältnis (Dauer der Hochspannung / Periodendauer) und / oder variabler Hochspannung beaufschlagt, wobei die Zerstäubungsqualität durch Veränderung des Tastverhältnisses der Hochspannung gezielt beeinflusst wird. Auch eine gezielte Modulation der Hochspannung und/oder der Tastrate durch eine bestimmte Pulsfrequenz ist denkbar. Eine derartige Einflussnahme bietet sich insbesondere zur Dämpfung von Verbrennungsinstabilitäten beim Betrieb einer Gas- oder Dampfturbinenanlage an, wobei im Start- oder Teillastbetrieb aufgrund des niedrigeren Brennstoffdruckes das Tastverhältnis erhöht und bei stärkerem Teillast- oder Volllastbetrieb das Tastverhältnis erniedrigt wird. Durch diese Maßnahme kann eine annähernd konstante Zerstäubungsqualität während des gesamten Betriebsbereiches erreicht werden, da im Volllastbetrieb der hohe Druck bereits ohne elektrostatische Zerstäubung zu einer hohen Zerstäubungsqualität führt, während bei niedrigerem Druck im Start-oder niederen Teillastbetrieb die geringere Druckzerstäubungsqualität durch die zusätzliche elektrostatische Zerstäubung erhöht wird.

[0032] Eine Veränderung der Zerstäubung im Teillastbetrieb kann auch durch Veränderung der Hochspannung beeinflusst werden, beispielsweise indem diese von 10 kV auf > 20kV erhöht wird.

[0033] Fig. 4 zeigt Schattenaufnahmen an erfindungsgemäßen Brennstoffdüsen mit und ohne angelegte Hochspannung bei unterschiedlichem Brennstoffdurchsatz. In allen vier Darstellungen ist im oberen Bereich der Düsenkörper zu erkennen, aus dem vier Brennstoffstrahlen durch die Austrittsöffnungen austreten.

[0034] Im linken Teil der Figur ist der Betrieb der Vorrichtung ohne das Anlegen einer Hochspannung, d.h. als herkömmliche Mehrloch-Druckdüse aufgezeigt. Während bei einem hohen Brennstoffdurchsatz von 3,95 l/min entsprechend einem Druck in der Düse von 30*10⁵ Pa (30 bar) eine ausreichende Zerstäubung ersichtlich ist (unterer Teil der Figur), ist bei einem geringeren Brennstoffdurchsatz von nur 1,32 l/min entsprechend einem Druck von 3,5*10⁵ Pa (3,5 bar) kaum eine Zerstäubung des Brennstoffes zu erreichen.

[0035] Durch die Beaufschlagung der Hochspannungselektrode mit einer entsprechenden Hochspannung von 13,9 kV im oberen Teil und 16,9 kV im unteren Teil der Figur lässt sich eine deutlich bessere Zerstäubung erreichen, wie durch den Vergleich mit den jeweils gegenüberliegenden Figuren bei gleichem Brennstoffdurchsatz ersichtlich ist. Gerade bei geringem Brennstoffdurchsatz lässt sich mit der vorliegenden Vorrichtung eine deutliche Verbesserung der Zerstäubungsqualität erreichen, wie in der Figur 4 erkennbar ist.

[0036] Die vorliegende Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren zeichnen sich daher durch eine einfache Konstruktion aus, die insbesondere das Prinzip der elektrostatischen Zerstäubung auch bei Mehrloch-Druckdüsen ermöglicht. Der Aufbau der Vorrichtung mit der umlaufenden scharfen Kante 3a ist wesentlich unempfindlicher gegen thermischen Verzug als ein Aufbau mit für jede Düsenöffnung getrennt vorgesehenen Kegelspitzen.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0037] 

1

Düsenkörper

1a

Längsachse

2

Düsenöffnung

2a

Düsenöffnung, zentral

3

Hochspannungselektrode

3a

Scharfe Kante

3b

Spitze

4

Innenvolumen

5

Elektrostatisch zerstäubtes Spray

6

Nicht elektrostatisch geladener Tropfen

7

Elektrostatisch geladener Tropfen

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Zerstäubung eines flüssigen Mediums, bestehend aus

- einem elektrisch leitfähigen Düsenkörper (1), der ein Innenvolumen (4) zur Aufnahme des flüssigen Mediums aufweist,

- zumindest einer Düsenöffnung (2) für den Austritt des flüssigen Mediums, sowie

- einer koaxial zu einer Längsachse (1a) des Düsenkörpers (1) im Innenvolumen (4) angeordneten Hochspannungselektrode (3), um vorbeiströmendes flüssiges Medium unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung (2) elektrostatisch aufzuladen,

dadurch gekennzeichnet,
dass die Hochspannungselektrode (3) im Bereich ihrer größten lateralen Ausdehnung eine umlaufende scharfe Kante (3a) aufweist, die in geringem Abstand zum Düsenkörper (1) verläuft, um die elektrostatische Aufladung des vorbeiströmenden flüssigen Mediums zu bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Düsenöffnungen (2) für den Austritt des flüssigen Mediums vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsenöffnungen (2) in einer Ebene über den Umfang des Düsenkörpers verteilt angeordnet sind, in oder nahe der die scharfe Kante (3a) der Hochspannungselektrode (3) verläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine weitere Düsenöffnung (2a) auf der Längsachse (1a) des Düsenkörpers (1) angeordnet ist, wobei die Hochspannungselektrode (3) in diesem Bereich eine Spitze (3b) ausbildet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Düsenkörper (1) im Bereich der Düsenöffnungen (2) eine sich verjüngende Form aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hochspannungselektrode (3) im wesentlichen tellerförmig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die umlaufende scharfe Kante (3a) der Hochspannungselektrode (3) einen gezackten Verlauf mit Spitzen aufweist.

8. Verfahren zum Zerstäuben eines flüssigen Mediums unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem

- das flüssige Medium dem Innenvolumen (4) der Vorrichtung unter Druck zugeführt, der Düsenkörper

(1) auf Massepotential gelegt und die Hochspannungselektrode (3) mit einer Hochspannung beaufschlagt wird, die eine elektrostatische Aufladung des flüssigen Mediums in einer Größe bewirkt, die zu einem Zerplatzen von aus der oder den Düsenöffnungen austretenden Tropfen aufgrund der elektrostatischen Aufladung führt.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hochspannungselektrode (3) mit einer gepulsten Hochspannung mit variablem Tastverhältnis und/oder variabler Hochspannung beaufschlagt wird, wobei die Zerstäubungsqualität durch Veränderung des Tastverhältnisses der Hochspannung beeinflusst wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Erniedrigung des Druckes des flüssigen Mediums das Tastverhältnis erhöht und bei Erhöhung des Druckes des flüssigen Mediums erniedrigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in der Brennkammer einer Gasturbine,
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Start oder im Teillastbetrieb der Gasturbine ein höheres Tastverhältnis eingestellt wird als im Volllastbetrieb der Gasturbine.

12. Verfahren nach Anspruch 8 zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in der Brennkammer einer Gasturbine,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zerstäubungsqualität im Teillastbetrieb der Gasturbine durch Veränderung der Hochspannung beeinflusst wird.

Zeichnung