DE10207197A1

DE10207197A1 - Hochdruckeinspritzdüse, insbesondere für den Einsatz als Explosionszerstäuber

Info

Publication number: DE10207197A1
Application number: DE10207197A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hoffmann
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckeinspritzdüse, insbesondere für den Einsatz als Explosionszerstäuber, mit einem Düsengehäuse (1) mit einer Düsenöffnung (2), einem im Inneren des Düsengehäuses (1) auf die Düsenöffnung (2) aufgesetzten Düseneinsatz (3) mit einer Austrittsöffnung (4), die in Verbindung mit der Düsenöffnung (2) steht, sowie einem auf den Düseneinsatz (3) aufliegenden Ventilsitz (5) zum Verschließen und Freigeben der Austritts- (4) und Düsenöffnung (2). Bei der vorliegenden Hochdruckeinspritzdüse ist der Düseneinsatz (3) aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial gebildet. Die erfindungsgemäße Hochdruckeinspritzdüse ermöglicht einen Betrieb als Explosionszerstäuber mit geringem Verschleiß und somit hoher Lebensdauer.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckeinspritzdüse, insbesondere für den Einsatz als Explosionszerstäuber, mit einem Düsengehäuse mit einer Düsenöffnung, einem innerhalb des Düsengehäuses auf die Düsenöffnung aufgesetzten Düseneinsatz mit einer in Verbindung mit der Düsenöffnung stehenden Austrittsöffnung, sowie einem auf dem Düseneinsatz aufliegenden Ventilsitz zum Verschließen oder zur Freigabe der Austrittsöffnung.
Hochdruckeinspritzdüsen, wie sie mit der vorliegenden Erfindung realisiert werden, lassen sich in vielen technischen Bereichen einsetzen, in denen ein Einspritzmedium in einen mit Gas befüllten Raum oder einen von Gas durchströmten Kanal in Tröpfchenform eingebracht werden muss. Ein besonderes Anwendungsgebiet stellt hierbei die Einspritzkühlung dar, bei der das Einspritzmedium nach dem Einspritzen in das Gas verdampft und dadurch dem Gas Wärme entzieht. Diese Technik wird vor allem in Kraftwerken eingesetzt, in denen die während des Betriebs auftretenden Drücke und Temperaturen in den letzten Jahren ständig zunehmen und somit eine zuverlässige Kühlung erforderlich ist. Die Einspritzkühlung kann auch zur Leistungssteigerung von Gasturbinen eingesetzt werden, indem das Einspritzmedium vor dem Kompressor in den Luftansaugkanal eingespritzt wird, um die Temperatur der angesaugten Luft herabzusetzen. Bei dieser Anwendung sollten die eingespritzten Tröpfchen allerdings einen möglichst geringen Tröpfchendurchmesser aufweisen, damit sie vor dem Eintritt in die Kompressorstufe bereits vollständig im Gas verdampfen.

Stand der Technik

Bislang sind für die Einspritzung eines Einspritzmediums, beispielsweise von Wasser, in den Ansaugkanal einer Kompressorstufe unterschiedliche Einspritzdüsen bzw. Einspritztechniken bekannt. Eine Einspritzdüse besteht hierbei typischerweise aus einem Düsengehäuse mit einer darin ausgebildeten Düsenöffnung, dem das Einspritzmedium über ein steuerbares Ventil unter hohem Druck zugeführt wird. Die realisierbare Tröpfchengröße hängt bei derartigen einfachen Einspritzdüsen von der Größe der Düsenöffnung sowie - neben dem Einspritzdruck, der Art des Einspritzmediums und der Geschwindigkeit des strömenden Gases - von der Präzision ab, mit der die Düsenöffnung hergestellt werden kann.
Das Ventil kann hierbei auch direkt in die Einspritzdüse integriert werden.
Für die Erzeugung kleinerer Tröpfchengrößen ist es auch bekannt, so genannte Drallzerstäuber einzusetzen, bei denen das Einspritzmedium vor dem Austritt aus der Düsenöffnung in Drall versetzt wird. Hierfür ist ein entsprechender Drallkörper im Inneren des Düsengehäuses angeordnet, der dem Einspritzmedium den Drall in einem stromauf der Austrittsöffnung ausgebildeten Hohlraum, dem Drallraum, aufprägt. In der Regel erweitert sich der Querschnitt des Drallraums annähernd kegelförmig zur Düsenöffnung hin.
Für die Erzeugung noch kleinerer Tröpfchengrößen ist es beispielsweise aus der WO 99/67519 bekannt, eine Hochdruckdüse als Explosionszerstäuber zu betreiben. Bei dieser Betriebsweise wird das Einspritzmedium vor dem Austritt aus der Düse derart aufgeheizt, dass dessen Temperatur oberhalb der Sattdampftemperatur des Gases liegt, in das das Einspritzmedium eingespritzt wird. Durch den Druckabfall beim Austritt aus der Hochdruckdüse bilden sich Siedeblasen in den nach Austritt aus der Düsenöffnung gebildeten Tröpfchen, die zu einem explosionsartigen weiteren Zerplatzen dieser Tröpfchen führen. Durch diesen Effekt können Tröpfchen erzeugt werden, deren Durchmesser < 5 µm beträgt.
Bei derartigen Explosionszerstäubern tritt jedoch eine sehr große Belastung der Düse auf. Zur Verringerung des Verschleißes ist es daher bekannt, das Düsengehäuse im Bereich der Düsenöffnung aus gehärtetem Edelstahl zu bilden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hochdruckeinspritzdüse, insbesondere für den Einsatz als Explosionszerstäuber anzugeben, die einen nochmals verringerten Verschleiß aufweist.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Hochdruckeinspritzdüse gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Hochdruckeinspritzdüse sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Hochdruckeinspritzdüse besteht aus einem Düsengehäuse bzw. Düsenkörper mit einer Düsenöffnung, einem auf die Düsenöffnung innerhalb des Gehäuses aufgesetzten Düseneinsatz mit einer in Verbindung mit der Düsenöffnung stehenden Austrittsöffnung sowie einem auf dem Düsenkörper aufliegenden Ventilsitz zum Verschließen und zur Freigabe der Austritts- und Düsenöffnung. Der Ventilsitz ist über ein Betätigungselement zur Freigabe der Düsenöffnung von dem Düseneinsatz abhebbar. Die vorliegende Hochdruckeinspritzdüse zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Düseneinsatz aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial gebildet ist.
Durch diese Ausgestaltung des Düseneinsatzes, der der größten Belastung beim Betrieb der Düse ausgesetzt ist, aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial wird der Verschleiß der Düse verringert und somit deren Lebensdauer erhöht. Weiterhin resultiert aus dieser Ausgestaltung eine erhöhte Qualität der Düseneinspritzung, insbesondere ein dauerhaft gutes Tropfenspektrum, da kaum Veränderungen aufgrund des Verschleißes auftreten können. Die bevorzugte Anwendung der vorliegenden Hochdruckeinspritzdüse besteht im Einsatz als Explosionszerstäuberdüse. Hierbei wird durch die Hochdruckeinspritzdüse überhitztes Wasser oder ein anderes überhitztes flüssiges Einspritzmedium in den Einspritzraum, d. h. den Kanal oder den Hohlraum, in dem sich das Gas befindet, eingespritzt. Über die normale Entspannung beim Austritt aus der Düsenöffnung hinaus zerplatzen die überhitzten Wassertropfen hierbei in eine Vielzahl sehr feiner Tröpfchen. Die Hochdruckeinspritzdüse eignet sich dabei insbesondere für High- Fogging Anwendungen im Ansaugkanal einer Kompressorstufe. Auch in Anlagen zur Gasseparation oder in Verbrennungsmaschinen kann die vorliegende Hochdruckeinspritzdüse zum Einsatz kommen. Insbesondere lassen sich durch die Einspritzung mit der vorliegenden Düse alle zu komprimierenden Gase, beispielsweise Naturgas, Ammoniak, Luft, Stickstoff und Sauerstoff, Wasserstoff, Synthesegas, Kohlendioxid sowie inerte Gase, kühlen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Hochdruckeinspritzdüse trägt der Ventilsitz einen Drallkörper, der in einen im Düseneinsatz stromauf der Austrittsöffnung ausgebildeten Drallraum ragt. Drallkörper und Drallraum sind derart ausgestaltet, dass über den Ventilsitz eintretendes Einspritzmedium auf dem Weg zur Austrittsöffnung in Drall versetzt wird, so dass das Einspritzmedium aus der Austritts- und Düsenöffnung mit einem Drall austritt. Dies bewirkt eine weitere Reduzierung der Tröpfchengröße. Derartige Einspritzdüsen sind auch unter dem Begriff Wirbelstromkammerdüsen oder Swirl-Zerstäuber bekannt. Vorzugsweise ist bei der vorliegenden Hochdruckeinspritzdüse auch der Drallkörper aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial gebildet, so dass er einem erheblich reduzierten Verschleiß unterliegt.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Hochdruckeinspritzdüse ist auch der Ventilsitz aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial gebildet. Diese Ausgestaltung, bei der sowohl Ventilsitz als auch Drallkörper und Düseneinsatz aus dem hochfesten Keramik- oder Edelsteinmaterial gebildet sind, bietet optimale Bedingungen für die Einspritzung über einen längeren Zeitraum, so dass damit eine hohe Lebensdauer mit qualitativ hochwertiger Einspritzung erreicht werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Hochdruckeinspritzdüse wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung einer Hochdruckeinspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein Beispiel für den Einsatz der vorliegenden Hochdruckeinspritzdüse in einer Gasturbine.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist der vordere Bereich einer Hochdruckeinspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die Düse besteht aus einem Düsenkörper 1 mit einer Düsenöffnung 2, die beispielsweise einen Durchmesser von 0,5 mm aufweisen kann. Selbstverständlich hängt die Größe dieser Düsenaustrittsöffnung 2 von den jeweiligen Einsatzbedingungen ab und wird vom Fachmann im Rahmen dessen, was produktionstechnisch herstellbar ist, geeignet gewählt. So können beispielsweise auch Düsenöffnungen mit geringerem oder größerem Querschnitt zum Einsatz kommen.
Auf diese Düsenöffnung 2 ist im Inneren des Gehäuses 1 ein Düseneinsatz 3 aufgesetzt. Der Düseneinsatz 3 weist ebenfalls eine Austrittsöffnung 4 auf, die mit der Düsenöffnung 2 in Verbindung steht, wie dies aus der Figur ersichtlich ist. Zur Aufnahme dieses Düseneinsatzes 3 ist das Düsengehäuse 1 im Inneren mit einer Ausnehmung versehen, die den Düseneinsatz formschlüssig aufnimmt. Die Austrittsöffnung 4 des Düseneinsatzes 3 weist in diesem Beispiel einen geringeren Querschnitt als die Düsenöffnung 2 auf. Im vorliegenden Beispiel ist dieser Querschnitt der Austrittsöffnung 4 gegenüber dem Querschnitt der Düsenöffnung 2 um den Faktor 2 reduziert, weist also eine Größe von etwa 0.25 mm auf. Dieser reduzierte Querschnitt des Düseneinsatzes bewirkt, dass der größte Verschleiß beim Betrieb dieser Einspritzdüse an der Austrittsöffnung des Düseneinsatzes 3 und nicht an der Düsenöffnung 2 auftrifft. Zur Verringerung des Verschleißes ist es daher nur erforderlich, den Düseneinsatz 3 aus einem entsprechend verschleißarmen Material zu gestalten, während das mehr Material beanspruchende Düsengehäuse aus einem kostengünstigeren Material gefertigt sein kann. Bei der vorliegenden Hochdruckdüse besteht dieser Düseneinsatz 3 daher aus einem hochfesten Keramik- oder Edelsteinmaterial. Die Wahl eines geeigneten Materials, das beim Betrieb der Hochdruckdüse einen sehr geringen Verschleiß aufweist, ist für den Fachmann kein Problem, wobei natürlich die entsprechenden Kosten bei der Auswahl des Materials berücksichtigt werden müssen.
Der Düseneinsatz 3 weist im vorliegenden Beispiel stromauf der Austrittsöffnung 4 eine Ausnehmung auf, die einen Drallraum 7 bildet. Auf dem Düseneinsatz 3 liegt in geschlossenem Zustand der Düse ein Ventilsitz 5 auf. Wird dieser Ventilsitz 5 angehoben, so strömt das Einspritzmedium seitlich über den Innenraum des Düsengehäuses 1 in den Drallraum 7 und von dort durch die Austrittsöffnung 4 und die Düsenöffnung 2 in den Einspritzraum, beispielsweise den Ansaugkanal einer Kompressorstufe. Sitzt der Ventilsitz 5 auf dem Düseneinsatz 3 auf, so sind Austritts- 4 und Düsenöffnung 2 geschlossen.
Der Ventilsitz 5 trägt in diesem Beispiel einen Drallkörper 6, der in den Drallraum 7 des Düseneinsatzes 3 ragt. Durch die in der Figur dargestellte geometrische Ausgestaltung des Drallraums 7 sowie des darin befindlichen Drallkörpers 6 wird bei seitlicher Einströmung des Einspritzmediums eine Drallströmung erzeugt, bei der der Dreh in Richtung der Austrittsöffnung 4 zunimmt. Das Einspritzmedium strömt somit mit diesem Drall durch die Düsenöffnung 2 in den Einspritzraum, so dass eine Tröpfchengrößenverteilung mit reduzierter Tröpfchengröße - gegenüber einer Einspritzdüse ohne Drallerzeugung - resultiert. Der Drall wird im vorliegenden Beispiel insbesondere durch die konische Ausgestaltung des Drallraums 7 sowie des Drallkörpers 6 erreicht. Selbstverständlich lässt sich ein derartiger Drall auch mit anderen, dem Fachmann bekannten Geometrien erzeugen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen neben dem Düseneinsatz 3 auch der Ventilsitz 5 und der Drallkörper 6 aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial, so dass auch diese einem entsprechend geringen Verschleiß unterworfen sind. Der Ventilsitz 5 wird über das entsprechende Betätigungselement 8 vom Düseneinsatz 3 abgehoben oder auf diesen aufgedrückt. Die Steuerung dieses Betätigungselementes 8 erfolgt in Abhängigkeit von der gewünschten Einspritzmenge und der entsprechenden Anwendung.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Anwendung der vorliegenden Hochdruckdüse für eine High-Fogging Anwendung im Ansaugkanal des Kompressors einer Gasturbine. Der Kompressor 11 saugt über diesen Ansaugkanal 9 Luft, in der Regel aus der Atmosphäre, an und verdichtet diese, um sie als verdichtete Brennluft dem Brennstoff in der Brennkammer 12 zuführen zu können. In dem Ansaugkanal 9 sind Hochdruckeinspritzdüsen 10 angeordnet, über die überhitztes Wasser in die angesaugte Luft eingespritzt wird. Die Verdampfungskühlung dieses eingespritzten Wassers führt zur Abkühlung der angesaugten Luft, so dass sich der Luftmassenstrom erhöht. Dies führt zu einer vorteilhaften Leistungssteigerung der Gesamtanlage. Durch die im vorliegenden Fall durchgeführte Explosionszerstäubung werden so geringe Tröpfchengrößen innerhalb des Ansaugkanals 9 erreicht, dass das Wasser vor dem Eintritt in den Kompressor 11 bereits vollständig verdampft ist. Mit dem aus dem Brenner 12 austretenden heißen Brenngas wird schließlich in bekannter Weise die Gasturbine 13 angetrieben.
Durch Einsatz der vorliegenden Hochdruckeinspritzdüsen zur Einspritzkühlung mittels Explosionszerstäubung in einer derartigen Anlage wird eine zuverlässige und gleichmäßige Kühlung über einen langen Zeitraum erreicht, ohne die Hochdruckeinspritzdüsen austauschen zu müssen. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Düsengehäuse bzw. Düsenkörper
2 Düsenöffnung
3 Düseneinsatz
4 Austrittsöffnung
5 Ventilsitz
6 Drallkörper
7 Drallraum
8 Betätigungselement
9 Ansaugkanal
10 Einspritzdüsen
11 Kompressorstufe
12 Brenner bzw. Brennraum
13 Turbine

Claims

1. Hochdruckeinspritzdüse, insbesondere für den Einsatz als Explosionszerstäuber, mit einem Düsengehäuse (1) mit einer Düsenöffnung (2), einem innerhalb des Düsengehäuses (1) auf die Düsenöffnung (2) aufgesetzten Düseneinsatz (3) mit einer in Verbindung mit der Düsenöffnung (2) stehenden Austrittsöffnung (4), sowie einem auf dem Düseneinsatz (3) aufliegenden Ventilsitz (5) zum Verschließen oder zur Freigabe der Austrittsöffnung (4), wobei der Düseneinsatz (3) aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial besteht.

2. Hochdruckeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (5) einen Drallkörper (6) trägt, der in einen stromauf der Austrittsöffnung (4) ausgebildeten Drallraum (7) des Düseneinsatzes (3) ragt, um eine über den Ventilsitz (5) in den Düseneinsatz (3) eintretende Strömung eines Einspritzmediums vor dem Austritt durch die Austritts- (4) und Düsenöffnung (2) in Drall zu versetzen.

3. Hochdruckeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper (6) aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial besteht.

4. Hochdruckeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (5) aus einem Keramik- oder Edelsteinmaterial besteht.

5. Hochdruckeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (4) des Düseneinsatzes (3) einen geringeren Querschnitt als die Düsenöffnung (2) aufweist.

6. Verwendung einer Hochdruckeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Einspritzkühlung in einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine.