DE19860785A1 - Zerstäubungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Zerstäubungsvorrichtung (10) für die Zerstäubung einer Flüssigkeit umfasst eine in einer Achse (11) am Rohrende (16) eines koaxialen Innenrohres (12) angeordnete, zentrale Zerstäubungsdüse (32), welche die durch einen Innenkanal (14) im Innenrohr (12) zugeführte Flüssigkeit in Richtung der Achse (11) in einen Sprühkegel (33) mit einem ersten Sprühwinkel (W1) zerstäubt, sowie weiterhin strömungstechnische Mittel (13, 15, 18), welche konzentrisch um die Zerstäubungsdüse (32) herum angeordnet sind und die Einstellung eines zweiten, vom ersten abweichenden Sprühwinkels (W2) ermöglichen. Bei einer solchen Vorrichtung wird eine einfache und flexible Einstellung des Sprühwinkels dadurch erreicht, dass die strömungstechnischen Mittel ein Außenrohr (13) umfassen, welches das Innenrohr (12) konzentrisch umschließt und zwischen dem Innenrohr (12) und dem Außenrohr (13) einen ringförmigen Außenkanal (15) bildet, der im Bereich der Zerstäubungsdüse (32) derart in den Außenraum bzw. Brennraum mündet, dass im Außenkanal (15) herangeführte und aus dem Außenkanal (15) unter Druck austretende Flüssigkeit mit dem Sprühkegel (33) aus der Zerstäubungsdüse (32) wechselwirkt und eine Veränderung des Sprühwinkels herbeiführt.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Zerstäubungstechnik. Sie betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit, insbesondere eines flüssigen Brennstoffes in den Brennraum einer Gasturbine, wobei die Zerstäubungsvorrichtung eine in einer Achse am Rohrende eines koa­ xialen Innenrohres angeordnete, zentrale Zerstäubungsdüse umfasst, welche die durch einen Innenkanal im Innenrohr zugeführte Flüssigkeit in Richtung der Achse in einen Sprühkegel mit einem ersten Sprühwinkel zerstäubt, und wobei die Zer­ stäubungsvorrichtung weiterhin strömungstechnische Mittel umfasst, welche kon­ zentrisch um die Zerstäubungsdüse herum angeordnet sind und die Einstellung eines zweiten, vom ersten abweichenden Sprühwinkels ermöglichen.

Eine solche Zerstäubungsvorrichtung für die Zerstäubung von flüssigem Brenn­ stoff in einem Drehrohrofen ist z. B. aus der Druckschrift US-A-4,976,607 (siehe die dortige Fig. 5 und 12 sowie die zugehörigen Teile der Beschreibung) be­ kannt.

STAND DER TECHNIK

Bei der Zerstäubung von Flüssigkeiten durch Düsen - wie sie beispielsweise bei Brennern für Öfen oder Gasturbinen eingesetzt wird - ergibt sich abhängig von verschiedenen Parametern ein bestimmter Sprühwinkel ("Spraywinkel") und/oder Zerstäubungsgrad. Der Sprühwinkel, d. h. der Öffnungswinkel des erzeugten Sprühkegels, hängt dabei nicht nur vom Durchmesser und der Form der zur Zer­ stäubung notwendigen Düse ab, sondern auch vom Druckunterschied an der Düse. Eine wichtige Rolle spielen aber auch die Eigenschaften der zu zerstäuben­ den Flüssigkeit wie z. B. die Viskosität und die Dichte.

Hieraus ergibt sich für den praktischen Betrieb einer Zerstäubungsvorrichtung ein Problem: Wird bei einer Zerstäubungsvorrichtung von einer Flüssigkeit mit be­ stimmten Eigenschaften auf eine andere Flüssigkeit mit anderen Eigenschaften umgestellt (bei einem Ölbrenner z. B. auf eine andere Ölsorte), ergibt sich - bei gleichbleibendem Massenstrom - in der Regel ein anderer Sprühwinkel. Soll beim Umstellen auf die andere Flüssigkeit der Sprühwinkel gleich bleiben, kann dies durch einen entsprechenden Wechsel der Düsenparameter bewirkt werden. Hierzu müsste entweder ein (komplizierter) mechanischer Verstellmechanismus an der Düse vorgesehen werden, oder die Düse als solche müsste komplett ge­ gen eine andere Düse mit entsprechend angepassten Düsenparametern ausge­ tauscht werden. Eine solche Änderung der Düsenparameter ist jedoch sehr auf­ wendig. Ein mechanischer Verstellmechanismus ist zwar relativ flexibel, aber störanfällig. Der Austausch der Düse ist demgegenüber weniger störanfällig, dafür aber auch wenig flexibel.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Zerstäubungsvorrichtung zu schaffen, bei der mit wenig Aufwand und auf sehr einfache und sichere Weise der Sprühwinkel kontinuierlich verändert bzw. für unterschiedliche Flüssigkeiten der­ selbe Sprühwinkel eingestellt werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, den Sprühwinkel auf fluidmechanischem Weg durch Wechselwirkung des Sprühkegels aus der zentralen Zerstäubungs­ düse mit einem konzentrisch umgebenden Mantelstrom der Flüssigkeit zu verän­ dern. Die Lösung unterscheidet sich damit deutlich von anderen Lösungen, wie sie in der eingangs genannten US-A-4,976,607 oder in der US-A-3,752,405 offenbart sind, und bei denen eine veränderliche Flammengeometrie durch eine einfache Überlagerung ohne Wechselwirkung mehrerer Sprühkegel mit unterschiedlichem Sprühwinkel erzeugt wird. Insbesondere sind diese bekannten Lösungen nicht dafür geeignet oder vorgesehen, bei einem Wechsel der zu zerstäubenden Flüs­ sigkeit den Sprühwinkel unverändert zu lassen, wie dies beim Betrieb von Gastur­ binen erwünscht ist, sondern sind für Drehrohröfen der Zementindustrie gedacht, bei denen vor allem die Flammengeometrie in geeigneter Weise verändert werden soll, um Unterschiede in der Befüllung auszugleichen.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeich­ net, dass Steuerungsmittel vorgesehen sind, mittels derer der durch den Aussen­ kanal fliessende Flüssigkeitsmassenstrom gesteuert werden kann, und dass die Flüssigkeit für den Aussenkanal mittels einer Pumpe über ein erstes Regelventil herangeführt wird. Durch die Pumpe mit dem nachfolgenden Ventil kann der not­ wendige Druck erzeugt und der gewünschte Massenstrom für die Beeinflussung des Sprühwinkels eingestellt werden.

Soll der Flüssigkeitsmassenstrom beim Verändern des Sprühwinkels insgesamt unverändert bleiben, ist es besonders einfach und vorteilhaft, wenn gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Steuerungsmittel vorgese­ hen sind, mittels derer ein konstanter Flüssigkeitsmassenstrom in einstellbarer Weise auf den Innenkanal und den Aussenkanal aufgeteilt werden kann, wenn sowohl die Flüssigkeit für den Aussenkanal als auch die Flüssigkeit für den Innen­ kanal mittels derselben Pumpe herangeführt wird, wenn die von der Pumpe geför­ derte Flüssigkeit über getrennte Verteilleitungen zu den Kanälen gelangt, und wenn in den Verteilleitungen jeweils ein Regelventil angeordnet ist, welches in Ab­ hängigkeit vom jeweils anderen Regelventil gesteuert wird.

Die Wechselwirkung zwischen dem zentralen Sprühkegel und dem umgebenden Mantelstrom hängt massgeblich von der Geometrie der Anordnung im Austrittsbe­ reich der Flüssigkeiten ab. Es ist dabei möglich, dass das Innenrohr und das Aus­ senrohr auf der gleichen Höhe enden, dass das Rohrende des Innenrohres ge­ genüber dem Rohrende des Aussenrohres zurückversetzt ist, oder dass das Rohr­ ende des Aussenrohres gegenüber dem Rohrende des Innenrohres zurückver­ setzt ist. Insbesondere im letztgenannten Fall kann sich nach dem Austritt aus dem Aussenkanal der Mantelstrom voll ausbilden, bevor er in Wechselwirkung mit dem zentralen Sprühkegel tritt.

Unterstützt wird die Ausbildung des Mantelstromes, wenn dabei zum Herbeiführen eines kontrollierten Strömungsabrisses an der Innenwand des Aussenrohres am Rohrende des Aussenrohres eine stufenförmige Ausdrehung vorgesehen ist. Es ist aber auch denkbar, dass der Mantelstrom dadurch nach innen in den zentralen Sprühkegel gelenkt wird, dass das Aussenrohr an seinem Rohrende eine konische Verengung aufweist. Die Wechselwirkung kann aber auch dadurch erhöht werden, dass innerhalb des Aussenkanals im Bereich der Mündung Verwirbelungsele­ mente zur Verwirbelung der austretenden Flüssigkeit vorgesehen sind.

Erfindungsgemäss wird die Zerstäubungsvorrichtung nach der Erfindung zur Zer­ stäubung von flüssigen Brennstoff in die Brennkammer einer Gasturbine verwen­ det. Dabei ist es durch den konzentrischen Aufbau besonders günstig, wenn die Zerstäubungsvorrichtung Teil einer Brennstofflanze ist.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam­ menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 im Längsschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Zerstäu- bungsvorrichtung nach der Erfindung am vorderen Ende einer Brennstofflanze sowie die dazugehörige schematisierte Brenn­ stoffversorgung;

Fig. 2 den Querschnitt durch die Brennstofflanze in der Ebene II-II der Fig. 1;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Zer­ stäubungsvorrichtung mit in der gleichen Ebene endenden Rohren und einer konischen Verengung des Aussenrohrs im Mündungs­ bereich;

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Zerstäu­ bungsvorrichtung einem zurückgesetzten Aussenrohr, dass eine innenliegende Ausdrehung aufweist;

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Zerstäu­ bungsvorrichtung mit in der gleichen Ebene endenden Rohren und Ausdrehungen auf beiden Seiten im Mündungsbereich des Aus­ senkanals; und

Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Zerstäu­ bungsvorrichtung mit einem zurückgesetzten Innenrohr und zu­ sätzlichen Verwirbelungselementen im Mündungsbereich des Aus­ senkanals.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist im Längsschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Zerstäu­ bungsvorrichtung nach der Erfindung am vorderen Ende einer Brennstofflanze sowie die dazugehörige schematisierte Brennstoffversorgung wiedergegeben. Eine solche Brennstofflanze findet beispielsweise in den sogenannten Doppelke­ gelbrennern der Anmelderin Einsatz, wie sie aus der US-A-5,489,203 bekannt sind. Die Zerstäubungsvorrichtung 10 umfasst konzentrisch zu einer Achse 11 ein Innenrohr 12 und ein das Innenrohr konzentrisch umschliessendes Aussenrohr 13, die sich zum Ende hin im Durchmesser verjüngen. Das Innere des Innenrohres 12 bildet einen Innenkanal, durch welchen die zu zerstäubende Flüssigkeit (in diesem Fall der flüssige Brennstoff) in einem Primär-Flüssigkeitsstrom zur an der Mün­ dung bzw. dem Rohrende 16 des Innenrohres 12 befindlichen Zerstäubungsdüse 32 geführt wird. Die Zerstäubungsdüse 32 ist im vorliegenden Beispiel eine kreis­ runde zentrische Öffnung. Die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit wird beim Austritt aus der Zerstäubungsdüse 32 durch Druckzerstäubung zerstäubt und bil­ det einen Sprühkegel 33 aus feinen Flüssigkeitströpfchen, der einen ersten Öffnungs- bzw. Sprühwinkel W1 aufweist und in der Fig. 1 mit durchgezogenen Strichen angedeutet ist.

Zwischen dem Innenrohr 12 und dem Aussenrohr 13 wird ein ringförmiger Aus­ senkanal 15 gebildet, über den dieselbe Flüssigkeit in einem Sekundär-Flüssig­ keitsstrom parallel zum Innenkanal 14 zur Mündung bzw. zum Rohrende 18 des Aussenrohres 13 geführt wird. Die Flüssigkeit aus dem Aussenkanal 15, die ebenfalls unter Druck steht, tritt dort zerstäubend in Form eines Mantelstromes aus, der mit dem Sprühkegel 33 aus der zentralen Zerstäubungsdüse 32 wech­ selwirkt. Diese Wechselwirkung bewirkt je nach Vorwahl des Geschwindigkeits- und/oder Druckverhältnisses bzw. der Geschwindigkeits- und/oder Druckunter­ schiede zwischen dem Primärstrom und dem Sekundärstrom eine unterschiedli­ che Veränderung des Sprühwinkels, der dann als zweiter Sprühwinkel W2 (in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet) in einem grösseren Winkelbereich um den ersten Sprühwinkel W1 verändert werden kann.

Für die konventionelle Druckzerstäubung ist normalerweise eine Flüssigkeits­ pumpe und ein Regelventil vorgesehen. Für die erfindungsgemässe Zerstäu­ bungsvorrichtung nach Fig. 1 genügt vorzugsweise ebenfalls eine Pumpe 26, wel­ che die aus einer Zuleitung 27 angesaugte Flüssigkeit über zwei Verteilleitungen 21 und 22 in den Innenkanal 14 und den Aussenkanal 15 drückt. In jeder der Ver­ teilleitungen ist ein Regelventil 24 bzw. 25 angeordnet, die von einer Steuerein­ richtung 23 in Abhängigkeit voneinander vorzugsweise so betätigt werden, dass bei einer Veränderung der Massenströme in den einzelnen Verteilleitungen 21, 22 der Gesamtmassenstrom konstant bleibt. Auf diese Weise kann durch gleichzeiti­ ges Verstellen der Regelventile 24, 25 der Sprühwinkel W2 verstellt werden, ohne dass der Gesamtmassenstrom (und damit beim Brenner die Leistung) verändert wird. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Zerstäubungsvorrichtung entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Die Wechselwirkung des Mantelstromes aus dem Aussenkanal 15 mit dem Sprüh­ kegel 33 aus der zentralen Zerstäubungsöffnung hängt massgeblich auch von den geometrischen Verhältnissen im Mündungsbereich bzw. an den Rohrenden 16, 18 ab. In den Fig. 3 bis 6 sind im Längsschnitt verschiedene Varianten der Mün­ dungsgeometrie wiedergegeben. In Fig. 3 liegen die Rohrenden 16 und 18 der beiden Rohre 12 und 13 in derselben Ebene. Durch eine stufenförmige Ausdre­ hung 17 im Innenrohr 12 wird der Strömungsabriss an der Innenwand des Innen­ rohres 12 erleichtert. Das Innenrohr 12 ist am Rohrende 16 auf der Aussenseite leicht konisch zugespitzt. Das Aussenrohr 13 weist eine entsprechende konische Verengung 28 auf, so dass der Mantelstrom aus dem Aussenkanal 15 konisch nach innen gerichtet ist und so verstärkt mit dem Sprühkegel wechselwirkt.

In Fig. 4 ist das Rohrende 18 des Aussenrohres 13 gegenüber dem Rohrende 16 des Innenrohres 12 nach hinten zurückversetzt. Hierdurch kann sich ungestört ein Mantelstrom ausbilden, bevor es zur Wechselwirkung mit dem zentralen Sprühke­ gel kommt. Die Ausbildung des Mantelstromes wird erleichtert durch einen kon­ trollierten Strömungsabriss an der Innenwand des Aussenrohres 13 mittels der innenliegenden stufenförmigen Ausdrehung 29.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 liegen die Rohrenden 16, 18 wiederum in der­ selben Ebene. Der kontrollierte Strömungsabriss und damit die Ausbildung defi­ nierter Strömungen ist dabei durch die verschiedenen stufenförmigen Ausdrehun­ gen 17, 29 und 30 gewährleistet.

In Fig. 6 schliesslich ist das Rohrende 16 des Innenrohres 12 gegenüber dem Rohrende 18 des Aussenrohres 13 nach hinten zurückversetzt. Auch hier wird ein kontrollierter Strömungsabriss bei beiden Kanälen 14, 15 durch entsprechende stufenförmige Ausdrehungen erreicht. Zusätzlich sind im Aussenkanal 15 im Be­ reich der Mündung Verwirbelungselemente 31 angeordnet, die den Zerstäubungs­ vorgang und die Wechselwirkung zwischen dem Mantelstrom und dem Sprühke­ gel verbessern.

Obgleich die Erfindung am Beispiel einer Brennstofflanze für den Brenner einer Gasturbine erläutert worden ist und in diesem Bereich auch bevorzugt eingesetzt werden kann, ist die vorgeschlagene Art der Zerstäubung mit fluidmechanisch ste­ tig einstellbarem Sprühwinkel nicht auf das Gebiet der Brenner beschränkt, son­ dern kann auch in anderen Gebieten der Flüssigkeitszerstäubung (z. B. Sprüh­ trocknung, Lackierung etc.) mit Gewinn eingesetzt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Zerstäubungsvorrichtung

11

Achse

12

Innenrohr

13

Aussenrohr

14

Innenkanal

15

Aussenkanal

16

Rohrende (Innenrohr)

17

Ausdrehung (stufenförmig)

18

Rohrende (Aussenrohr)

21

,

22

Verteilleitung

23

Steuereinrichtung

24

,

25

Regelventil

26

Pumpe

27

Zuleitung

28

Verengung (konisch)

29

,

30

Ausdrehung (stufenförmig)

31

Verwirbelungselement

32

Zerstäubungsdüse

33

Sprühkegel
W1, W2 Sprühwinkel

Claims (13)

1. Zerstäubungsvorrichtung (10) für die Zerstäubung einer Flüssigkeit, ins­ besondere eines flüssigen Brennstoffes in den Brennraum einer Gasturbine, wobei die Zerstäubungsvorrichtung (10) eine in einer Achse (11) am Rohrende (16) ei­ nes koaxialen Innenrohres (12) angeordnete, zentrale Zerstäubungsdüse (32) umfasst, welche die durch einen Innenkanal (14) im Innenrohr (12) zugeführte Flüssigkeit in Richtung der Achse (11) in einen Sprühkegel (33) mit einem ersten Sprühwinkel (W1) zerstäubt, und wobei die Zerstäubungsvorrichtung (10) weiter­ hin strömungstechnische Mittel (13, 15, 18, 28, 29) umfasst, welche konzentrisch um die Zerstäubungsdüse (32) herum angeordnet sind und die Einstellung eines zweiten, vom ersten abweichenden Sprühwinkels (W2) ermöglichen, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die strömungstechnischen Mittel ein Aussenrohr (13) umfas­ sen, welches das Innenrohr (12) konzentrisch umschliesst und zwischen dem In­ nenrohr (12) und dem Aussenrohr (13) einen ringförmigen Aussenkanal (15) bil­ det, der im Bereich der Zerstäubungsdüse (32) derart in den Aussenraum bzw. Brennraum mündet, dass im Aussenkanal (15) herangeführte und aus dem Aus­ senkanal (15) unter Druck austretende Flüssigkeit mit dem Sprühkegel (33) aus der Zerstäubungsdüse (32) wechselwirkt und eine Veränderung des Sprühwinkels herbeiführt.

2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungsmittel (24, 26) vorgesehen sind, mittels derer der durch den Aus­ senkanal (15) fliessende Flüssigkeitsmassenstrom gesteuert werden kann.

3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit für den Aussenkanal (15) mittels einer Pumpe (26) über ein erstes Regelventil (24) herangeführt wird.

4. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungsmittel (23-26) vorgesehen sind, mittels derer ein konstanter Flüssigkeitsmassenstrom in einstellbarer Weise auf den Innenkanal (14) und den Aussenkanal (15) aufgeteilt werden kann.

5. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Flüssigkeit für den Aussenkanal (15) als auch die Flüssigkeit für den Innenkanal (14) mittels derselben Pumpe (26) herangeführt wird, dass die von der Pumpe (26) geförderte Flüssigkeit über getrennte Verteilleitungen (21, 22) zu den Kanälen (14, 15) gelangt, und dass in den Verteilleitungen (21, 22) jeweils ein Regelventil (24 bzw. 25) angeordnet ist, welches in Abhängigkeit vom jeweils an­ deren Regelventil gesteuert wird.

6. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (12) und das Aussenrohr (13) auf der glei­ chen Höhe enden.

7. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrende (16) des Innenrohres (12) gegenüber dem Rohrende (18) des Aussenrohres (13) zurückversetzt ist.

8. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrende (18) des Aussenrohres (13) gegenüber dem Rohrende (16) des Innenrohres (12) zurückversetzt ist.

9. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herbeiführen eines kontrollierten Strömungsabrisses an der Innenwand des Aussenrohres (13) am Rohrende (18) des Aussenrohres (13) eine stufenförmige Ausdrehung (29) vorgesehen ist.

10. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenrohr (13) an seinem Rohrende (18) eine konische Verengung (28) aufweist.

11. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Aussenkanals (15) im Bereich der Mündung Verwirbelungselemente (31) zur Verwirbelung der austretenden Flüssigkeit vorge­ sehen sind.

12. Anwendung der Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoff in die Brennkammer einer Gas­ turbine.

13. Anwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zer­ stäubungsvorrichtung (10) Teil einer Brennstofflanze ist.