DE19536837B4

DE19536837B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien

Info

Publication number: DE19536837B4
Application number: DE19536837A
Authority: DE
Inventors: Adnan Dr. Eroglu; Hans Peter Knöpfel; Peter Dr. Countesthorpe Senior
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1995-10-02
Filing date: 1995-10-02
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: GB2306002A; DE19536837A1; US5813847A; GB2306002B; GB9616461D0; JPH09112825A

Abstract

Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoffen (4) in komprimierte gasförmige Medien, im wesentlichen bestehend aus einem zylindrischen Hohlkörper (4) mit mindestens einem Brennstoffzuführkanal (2) und Mitteln zum Einführen komprimierter Zerstäubungsluft (5), wobei im Inneren des Hohlkörpers (24) eine Drallkammer (1) angeordnet ist, welche über mindestens eine Einlassöffnung (6) mit dem Brennstoffzuführkanal (2) verbunden ist, und stromaufwärts der Drallkammer (1) eine Trennwand (20) zwischen dem Brennstoff in der Drallkammer (1) und der Zerstäubungsluft (5) angeordnet ist, welche sich stromabwärts mindestens bis zur Mitte der Einlassöffnungen (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Querschnitt der Drallkammer (1) in Strömungsrichtung der durch das Innere des Hohlkörpers (24) geleiteten Zerstäubungsluft verengt, wodurch ein Konus (8) gebildet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien, im wesentlichen bestehend aus einem zylindrischen Hohlkörper mit mindestens einem Brennstoffzuführkanal und Mitteln zum Einführen komprimierter Zerstäubungsluft. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Derartige Vorrichtungen und Verfahren zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien sind bekannt. Der Impuls der komprimierten Zerstäubungsluft wird zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen in die komprimierten gasförmigen Medien verwendet. Ein Problem solcher Einspritzvorrichtungen stellt der relativ hohe Luftverbrauch an Zerstäubungsluft dar, der zur Zerstäubung gebraucht wird. Weiter müssen sehr feine Tropfen erzeugt werden, da die Schadstoffemission mit der Tropfengrösse zunimmt.

Aus der DE 2 356 427 ist ein Brennstoffinjektor bekannt, der insbesondere in Strahltriebwerken von Flugzeugen verwendbar ist. Mit dem beschriebenen Injektor werden Brennstoffe in komprimierte gasförmige Medien eingedüst, wobei der Injektor einen zylindrischen Hohlkörper aufweist, in dem sowohl ein Brennstoffzuführkanal und Mittel zum Einführen komprimierter Zerstäubungsluft als auch eine Drallkammer zum Vermischen eines Brennstoffs mit der komprimierten Luft vorgesehen sind. Der Brennstoff wird aus dem Brennstoffzuführkanal über Einlassöffnungen in die Drallkammer eingedüst. Stromaufwärts der Drallkammer ist eine Trennwand vorgesehen, die zunächst eine separate Zuleitung der komprimierten Luft sowie des Brennstoffes in die Drallkammer sicherstellt und die sich stromabwärts mindestens bis zur Mitte der Einlassöffnungen, aus denen Brennstoff über den Brennstoffzuführkanal in die Drallkammer geleitet wird, erstreckt.

Weiterhin geht aus der DE 916 971 eine Zerstäubungsdüse für flüssige Brennstoffe hervor, durch die flüssige Brennstoffe in feine Teilchen zerstäubt werden. Bei der in dieser Druckschrift beschriebenen technischen Lösung wird der zu zerstäubende Brennstoff tangential in eine Wirbelkammer eingeleitet, während die Luft in axialer Richtung zugeleitet wird. Innerhalb der Wirbelkammer findet eine Vermischung der Luft und des Brennstoffes statt, die dadurch unterstützt wird, dass die Wirbelkammer in Strömungsrichtung konisch ausgebildet ist, wobei sich der Konus verjüngt und es somit zum Aufstauen des Luftbrennstoffgemisches kommt. Zusätzlich zu der ansonsten bei Zentrifugalzerstäubern üblichen tangentialen Zuführung des Brennstoffs wird der Brennstoff der Wirbelkammer auch innen zugeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien der Eingangs genannten Art, den Vorgang der Brennstoffzerstäubung dahingehend zu optimieren, dass der Brennstoff im Vergleich zu den bekannten Systemen feiner zerstäubt wird und die Schadstoffemissionen weiter gesenkt werden.

Die Erfindung beruht auf einer Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien, die im Wesentlichen aus einem zylindrischen Hohlkörper mit mindestens einem Brennstoffzuführkanal und Mitteln zum Einführen komprimierter Zerstäubungsluft besteht. Weiterhin ist im Inneren des Hohlkörpers eine Drallkammer angeordnet, welche über mindestens eine Einlassöffnung mit dem Brennstoffzuführkanal verbunden ist, wobei stromaufwärts der Drallkammer eine Trennwand zwischen dem Brennstoff und der Zerstäubungsluft angeordnet ist, die sich stromabwärts mindestens bis zur Mitte der Einlassöffnungen erstreckt. Erfindungsgemäß ist die vorgenannte Vorrichtung derart weitergebildet worden, dass sich ein Querschnitt der Drallkammer in Strömungsrichtung der durch das Innere des Hohlkörpers geleiteten Zerstäubungsluft verengt, wodurch ein Konus gebildet wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben der vorgenannten Vorrichtung, bei dem einer Drallkammer Brennstoff aus Einlassöffnungen zugeführt wird, wodurch beim Eindüsen des Brennstoffes in die Drallkammer eine verdrallte Brennstoffströmung entsteht, und das sich dadurch auszeichnet, dass die Zerstäubungsluft durch das Zentrum der Drallkammer gefördert wird, welche sich in Strömungsrichtung der Zerstäubungsluft unter Bildung eines Konusses verengt, dass der Brennstoff zu einer Zerstäubungskante gelangt, durch die der Brennstofffilm in Tröpfchen aufbricht und dass durch die Zerstäubungsluft zusätzliche Scherkräfte auf den Brennstofffilm aufgebracht und die Aufspaltung des Brennstoffes in Tropfen unterstützt wird.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Einspritzdüse einfach und robust konstruiert ist.

Der Verbrauch an Zerstäubungsluft einer solchen Einspritzvorrichtung ist zudem sehr gering. Durch die Zerstäubungsluft im Innern des Hohlkörpers wird die Aufenthaltszeit sowie die Rezirkulation des Brennstoffes in der Drallkammer erheblich reduziert. Dies ist besonders vorteilhaft um Selbstenzündungen bei hohem Druck des Brennstoffes zu vermeiden.

Es ist besonders zweckmässig, wenn im Konus der Drallkammer Turbulenzkammern eingearbeitet werden. Durch die verdrallte Strömung in der Drallkammer entstehen in diesen Turbulenzkammern longitudinale Wirbel, die die Turbulenz des Brennstoffilmes an der Zerstäubungskante erhöhen. Dadurch kann eine sehr feine Zerstäubung erzielt werden.

Weiter ist es zweckmässig, die Zerstäubungsluft mit Ueberschallgeschwindigkeit durch das Innere der Drallkammer zu leiten, da die Schockwellen der Ueberschallströmung und die damit erzeugten Stösse die Zerstäubung des Brennstoffes unterstützen. Wird die Trennwand im Innern des Hohlkörpers als Lavaldüse ausgebildet, werden zusätzliche hochfrequente Oszillationen der Schockwellen erzeugt und die Zerstäubung weiter verbessert.

Eine radiale Anordnung der Einspritzvorrichtungen in einem Düsenkopf ist besonders vorteilhaft. Die Einspritzung des Brennstoffes erfolgt dadurch senkrecht zur Verbrennungsluft, wodurch die Eindringtiefe des Brennstoffes erhöht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
1 einen Teillängsschnitt einer Düse gemäss Linie I-I in 2;
2 einen Teilquerschnitt durch die Düse entsprechend Linie II-II in 1;
3 einen Teillängsschnitt einer Brennkammer;
4 einen Teillängsschnitt durch einen Düsenkopf mit radial angeordneten Düsen;
5 einen Teillängsschnitt einer Düse mit Turbulenzkammern;
6 einen Teilquerschnitt durch die Düse entsprechend Linie V-V in 5;
7 einen Teillängsschnitt einer Düse für Ueberschallströmung.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In 1 und 2 ist eine im wesentlichen als zylindrischer Hohlkörper 24 ausgebildete Brennstoffeinspritzvorrichtung 10, im folgenden Düse genannt, mit innenliegender Drallkammer 1 dargestellt. Der Innendurchmesser der Drallkammer 1 wird jeweils leistungsabhängig ausgelegt.
Ueber einen ringförmigen Brennstoffzuführkanal 2 und mehrere Einlassöffnungen 6 wird flüssiger Brennstoff 4 in die Drallkammer 1 eingeleitet.
Die Einlassöffnungen 6 sind mit einem Winkel 7 gegenüber der Achse zwischen der Einlassöffnung 6 und dem Zentrum des Hohl körpers 24 angestellt. Der Winkel 7 kann dabei zwischen null bis gegen neunzig Grad liegen, er wird jedoch vorzugsweise spitz gewählt. Die Einlassöffnungen 6 sind zudem mit einem Versatz 25, zwischen einer Mittellinie 26 durch die Einlassöffnung 6 und einer dazu parallelen Zentrumslinie 27 durch das Zentrum der Drallkammer 1, gegenüber dem Zentrum der Drallkammer 1 versetzt. Der Winkel 7 und der Versatz 25 werden jeweils so gewählt, dass beim Eindüsen des Brennstoffes 4 in die Drallkammer 1 eine verdrallte Brennstoffströmung 3 entsteht. Durch das Zentrum des Hohlkörpers 24 wird Zerstäubungsluft 5, im folgenden nur noch Luft genannt, mit hohem Druck in Pfeilrichtung gefördert. Die Drallkammer 1 ist so ausgebildet, dass sich ihr Querschnitt in Strömungsrichtung der Luft 5 verengt, wodurch ein Konus 8 gebildet wird. Der Anstellwinkel 28 des Konuses 8 liegt zwischen fünfzehn und fünfundsiebzig Grad (15° ≤ Anstellwinkel 28 ≥ 75°).
Im Konus 8 werden die durch die Einlassöffnungen 6 einströmenden Brennstoffströme vereinigt und beschleunigt. Die verdrallte Brennstoffströmung 3 beginnt in der Drallkammer 1 in Strömungsrichtung der Luft 5 zu strömen. Der Brennstoff gelangt dann zu einer Zerstäubungskante 9, durch die der Brennstoffilm in Tropfen aufbricht. Durch die das Zentrum des Hohlkörpers 24 durchströmende Luft 5 werden zusätzliche Scherkräfte auf den Brennstoffilm aufgebracht und die Aufspaltung des Brennstoffes in Tropfen unterstützt. Weiter füllt die Luft die zentrale Zone der Düse 10 aus, wodurch die Rezirkulation und die lange Aufenthaltszeit des Brennstoffes in der Drallkammer 1 und insbesondere im Konus 8 drastisch reduziert wird. Stromaufwärts der Drallkammer 1 ist eine Trennwand 20 zwischen Brennstoff und Luft 5 angeordnet. Die Trennwand 20 reicht stromabwärts mindestens bis zur Mitte der Einlassöffnungen 6 und maximal bis zu dreimal den Durchmesser der Einlassöffnungen über die Einlassöffnungen 6 hinaus. Durch die Trennwand 20 kann sich der Brennstoffilm in der Drallkammer 1 ohne Einfluss des Luftstromes 5 entwickeln.
Die Luft 5 kann mit Unterschall- oder Ueberschallgeschwindigkeit durch das Zentrum der Drallkammer 1 geleitet werden. Bei Anwendung einer Ueberschallströmung wird jedoch ein zusätzlicher Verdichter für die Luft 5 benötigt. Die Stösse der Schockwellen der Ueberschallströmung unterstützen die Zerstäubung des Brennstoffilmes an der Zerstäubungskante.
In 3 ist die Verwendung der Düse 10 in einem Brenner 11 einer Gasturbine dargestellt. Ein ummanteltes Plenum 12, welches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdichter geförderte Verbrennungsluft 19 aufnimmt, führt die Verbrennungsluft einer Brennkammer 15 zu. Es kann sich dabei um eine Einzelbrennkammer oder eine Ringbrennkammer handeln.
Am Kopfende der Brennkammer, die durch eine Frontplatte 13 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 14 aufgesetzt. In diesem Dom ist der Brenner 11 so angeordnet, dass der Brenneraustritt zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 13. Über die an ihrem äusseren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft 19 aus dem Plenum 12 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 17 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt. Am Ende der Brennstofflanze, im Innern des Brenners 11, ist nun die Düse 10 angeordnet. Ueber die doppelwandig ausgeführte Brennstofflanze 17 wird der Düse 10 Brennstoff 4 und Luft 5 zugeführt. Die Luft 5 wird in der Regel am Austritt des Verdichters von der Verbrennungsluft abgezweigt, oder kann anders als in der 3 dargestellt direkt aus dem Plenum 12 entnommen werden.
Beim schematisch dargestellten Vormischbrenner 11 handelt es sich um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Er besteht im wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 18 für die Verbrennungsluft 19, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt.
Der Brenner kann natürlich auch mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 18 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen in Form von Düsen vorgesehen. Diese Düsen können mit speziellen Leitungen oder mittels der Brennstofflanze 17 versorgt werden. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 19 bereits in der Zone der Schlitze 18.
Am Brenneraustritt des Brenners 11 stellt sich jeweils eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulationszone 16, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone 16 vor dem Brenner 11 stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.
In 4 sind Düsen 10 radial in einem Düsenkopf 30 angeordnet. Die Anzahl der Düsen 10 pro Düsenkopf 30 muss jeweils den entsprechenden Anforderungen angepasst werden. Der Brennstoff wird durch die radiale Anordnung der Düsen 10 normal zur Verbrennungsluft 19 eingedüst, wodurch die Eindringtiefe der Brennstofftropfen in die Verbrennungsluft erhöht wird. Der Zuführkanal 2 steht bei dieser Anordnung der Düsen 10 senkrecht zur Eindüsungsrichtung des Brennstoffes. Der Brennstoff wird deshalb ringförmig um die Düsen 10 herumgeführt.
Wird die Luft 5 mit Ueberschallgeschwindigkeit durch die Düsen 10 geleitet, wird die Eindringtiefe der Brennstofftropfen in die Verbrennungsluft weiter erhöht.
In 5 und 6 sind im Bereich des Konuses 8 der Drallkammer 1 der Düse 10 kleine, in Strömungsrichtung verlaufende Vertiefungen 22 eingearbeitet, die als Turbulenzkammern dienen.
In diesen Turbulenzkammern 22 entstehen durch die verdrallte Strömung 3 longitudinale Wirbel 23. Diese Wirbel 23 erhöhen die Turbulenz des Brennstoffilmes an der Zerstäubungskante 9 und verkleinern die Grösse der durch die Düse gebildeten Brennstofftropfen.
In 7 ist die Trennwand 20 als Einsatzrohr 21 ausgestaltet, was die Herstellung der Düse 10 erheblich vereinfacht. Soll die Luft 5 mit Ueberschallgeschwindigkeit durch dass Zentrum der Drallkammer 5 geleitet werden, ist es von Vorteil die Trennwand 20 oder das Einsatzrohr 21 als Laval-Düse auszuformen. Die Lavaldüse dient bei genügendem Druck der Luft 5 zur Erzeugung der Ueberschallströmung. Weiter entstehen durch die Lavaldüse zusätzliche hochfrequente Oszillationen der Schockwellen, wodurch sehr feine Brennstofftröpfchen erzeugt werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Ausgestaltung der Düse bei Verwendung einer Ueberschallströmung mit innenliegender Lavaldüse ist natürlich unabhängig von der Verwendung eines Einsatzrohres. Es kann auch die integralen Ausbildung der Düse entsprechend 1 verwendet werden.

1: Drallkamer
2: Brennstoffzuführkanal
3: verdrallte Brennstoffströmung
4: Brennstoff
5: Zerstäubungsluft
6: Einlassöffnung
7: Einlasswinkel
8: Konus
9: Zerstäubungskante
10: Brennstoffeinspritzvorrichtung (Düse)
11: Vormischbrenner
12: Plenum
13: Frontplatte
14: Dom
15: Brennkammer
16: Rezirkulationszone
17: Brennstofflanze
18: tangentiale Schlitze
19: Verbrennungsluft
20: Trennwand
21: Einsatzrohr
22: Turbulenzkammer
23: Wirbel
24: Hohlkörper
25: Versatz
26: Mittellinie
27: Zentrumslinie
28: Anstellwinkel
30: Düsenkopf

Claims

Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoffen (4) in komprimierte gasförmige Medien, im wesentlichen bestehend aus einem zylindrischen Hohlkörper (4) mit mindestens einem Brennstoffzuführkanal (2) und Mitteln zum Einführen komprimierter Zerstäubungsluft (5), wobei im Inneren des Hohlkörpers (24) eine Drallkammer (1) angeordnet ist, welche über mindestens eine Einlassöffnung (6) mit dem Brennstoffzuführkanal (2) verbunden ist, und stromaufwärts der Drallkammer (1) eine Trennwand (20) zwischen dem Brennstoff in der Drallkammer (1) und der Zerstäubungsluft (5) angeordnet ist, welche sich stromabwärts mindestens bis zur Mitte der Einlassöffnungen (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Querschnitt der Drallkammer (1) in Strömungsrichtung der durch das Innere des Hohlkörpers (24) geleiteten Zerstäubungsluft verengt, wodurch ein Konus (8) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Konuses (8) der Drallkammer (1) in Strömungsrichtung verlaufende Vertiefungen (22) eingearbeitet sind, die als Turbulenzkammern dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (20) im Innern des Hohlkörpers (24) als Lavaldüse ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen radial in einem Düsenkopf (30) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zerstäubung des Brennstoffes (4) mittels komprimierter Zerstäubungsluft (5) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass einer Drallkammer (1) Brennstoff (4) aus Einlassöffnungen (6) zugeführt wird, wodurch beim Eindüsen des Brennstoffes (4) in die Drallkammer (1) eine verdrallte Brennstoffströmung (3) entsteht, dass die Zerstäubungsluft (5) durch das Zentrum der Drallkammer (1) gefördert wird, welche sich in Strömungsrichtung der Zerstäubungsluft (5) unter Bildung eines Konuses (8) verengt, dass der Brennstoff zu einer Zerstäubungskante (9) gelangt, durch die der Brennstoffilm in Tropfen aufbricht und dass durch die Zerstäubungsluft (5) zusätzliche Scherkräfte auf den Brennstoffilm aufgebracht und die Aufspaltung des Brennstoffes in Tropfen unterstützt wird.
Verfahren zur Brennstoffeinspritzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsluft (5) mit Ueberschallgeschwindigkeit durch die Drallkammer (1) geleitet wird und dass die Schockwellen der Ueberschallströmung die Zerstäubung des Brennstoffes (4) unterstützen.
Verfahren zur Brennstoffeinspritzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsluft (5) in einer Lavaldüse (21) auf Ueberschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Verfahren zur Brennstoffeinspritzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Düsenkopf (30) mehrere Vorrichtungen radial angeordnet sind, wobei der Brennstoff (4) im wesentlichen senkrecht zur Verbrennungsluft (19) eingespritzt wird.