DE3235080A1 - Ruecklaufeinspritzduese fuer die zerstaeubung von fluessigkeiten - Google Patents

Description

• RücklauSeinspritziüsfür die Zerstäubung von Fiüssigk ei-
• ten Die Erfindung betrifft eine Rücklaufeinspritzdüse für die Zerstäubung von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Derartige Rücklaufeinspritzdüsen werden in Gasturbinenbrennkammern für die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes eingesetzt. Hierbei gelangt der Brennstoff durch mindestens einen tangential angeordneten Zuführkanal in einen Drallraum, aus welchem dann ein Teil über einen kurzen, zylindrischen Einspritzkanal als fein zerstäubter Brennstoffnebel in Form eines Einspritzkegels in die Gasturbinenbrennkammer eingelassen wird. Dem Drallraum der Rücklaufeinspritzdüse wird eine größere Menge an Brennstoff zugeführt, als verbraucht wird, wobei der jeweilige Sberschuß über ein Rücklaufrohr wieder abgeleitet wird. Ein hinter dem Rücklaufrohr angeordnetes Steuerorgan regelt dabei durch Drosselung der Brennstoffrückführung die Menge des der Gasturbinenbrennkammer durch Drallzerstäubung zugeführten Brennstoffes.
• Die bekannte, in Gasturbinenbrennkammern eingesetzte, Rücklaufeinspritzdüse hat die Eigenschaft, daß sich der Kegelwinkel des Einspritzkegels mit der ei-lgespritzten Brennstoffmenge stark ändert. Bei geringen Brennstoffsengea spritzt sich der Einspritzkegel so stark, daß die Brennstofftropfen teilweise am Rezirkulationsgebiet der Flamme vorbeigespritzt werden und unverbrannt bis zur Flammrohrwand gelangen, wo sie dann an der Wand verbrennen. Die Flamme selbst löst sich dabei vom Brenner ab und wird in- stabil. Versuche haben gezeigt, daß mit geringen Brennstoffmengen aber Kegelwinkeln des Einspritzkegels, wie sie sich zur Zeit hoher Brennerleistungen einstellen, die Flamme stabil am Brenner brennt. Allerdings erzeugt eine Rücklaufeinspritzdüse bekannter Bauart dann zu spitze Einspritzkegel bei höheren Brennstoffmengen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rücklaufeinspritzdüse bekannter Bauart so zu verbessern, daß sich der Kegelwinkel des Einspritzkegels mit der eingespritzten Brennstoffmenge nicht oder mir geringfügig ändert.
• Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Rücklaufeinspritzdüse durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 ,gelöst.
• Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, daß der Kegelwinkel des Einspritzkegels vom Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit zur Axialgeschwindigkeit der aus dem Einspritzkanal austretenden Flüssigkeit abhängt. Um den Kegelwinkel des Einspritzkegels bei kleinen Flüssigkeitsmengen zu verringern,muß die Umfangsgeschwindigkeit erheblich verkleinert werden, ohne die Axialgeschwindigkeit gleichzeitig wesentlich abzubauen. Dies wird nun bei der erfindungsgemäßen Rücklaufeinspritzdüse dadurch erreicht, daß der Drall der eingespritzten Flüssigkeitsmenge an einem relativ langen, zylindrischen oder leicht konischen Kanalabschnitt durch Reibung reduziert wird.
• Der Reibungswiderstand ist dabei näherungsweise unabhängig von der eingespritzten Flüssigkeitsmenge, da der Drallraum einer Rücklaufeinspritzdüse immer in etwa die gleiche Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt in den Einspritzkanal bzw. den ersten Kanalabschnitt erzeugt. Durch tlie l?eAibunfr, im ersten Kanalabschnitt wird ein Bremsmomeint erzeugt, welches den Drall bei geringen Mengen der eingespritzten Flüssigkeit stark verringert, während der Drall bei großen Mengen der eingespritzten Flüssigkeit m r geringfügig beeinflußt wird. Der DurcJ;messer ces Einslritzkfmals muß aber zusätzlich noch unmlittelbar vor dem Austritt durch einen kurzen zweiten Kanalabschnitt reduziert werden, um erst dort die notwendige hohe Axiale schwindigkeit und einen dünnen Flüssigkeitsfilm zu erzeugen. Ohne den zweiten Kanalabschnitt würde in einem auf der ganzen Länge zylindrischen oder leicht konischen Einspritzkanal durch die Reibung nicht nur die Umfangsgeschwindigkeit, sondern auch die Axialgeschwindigkeit verringert, d. h. der erwünschte Effekt würde nicht eintreten und außerdem würde sich eine schlechtere Zerstäubung des dann dickeren und langsameren Flüssigkeitsfilms ergeben.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß unter Aufrechterhaltung der Rotationssymmetrie und ohne Veränderung der Düsengeometrie mit geringem zusätzlichen Aufwand ein über den gesamten Regelbereich nahezu konstanter Kegelwinkel des Einspritzkegels erreicht wird. Außer in Gasturbinenbrennkammern können die erfindungsgemäß ausgestalteten Rücklaufeinspritzdüsen auch bei allen anderen Anwendungsgebieten der Flüssigkeitszerstäubung, wie z. B. in Kesselfeuerungen oder in der chemischen Industrie, eingesetzt werden.
• Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ubergang zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem zweiten Kanalabschnitt kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
• Für die Einstellung günstiger Kegelwinkel des Einspritzkegels hat es sich außerdem als zweckmäßig erwiesen, daß da3 Verhältnis des Durchmessers des ersten Kanalabschnittes zum Durchmesser des zweiten Kanalabschnittes zwischen 1,1 und 1,5 liegt. Weiterhin ist es auch günstig, wenn das Verhältnis der axialen Länge des ersten Kanalabschnittes zum Durchmesser des ersten Kanalabschnittes zwischen 2 und 10 liegt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
• Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Rücklaufeinspritzdüse für die Zerstäubung von flüssigem Brennstoff in einer Gasturbinenbrennkammer und Fig. 2 einen Schnitt gemäß derXLinie II-II der Fig. 1.
• Ats dem Längsschnitt der Fig. 1 ist ersichtlich, daß dlv Rücklaufeinspritzdüse einen insgesamt mit bezeichneten Düsenkörper besitzt, in welchem ein zylindrischer und im Übergangsbereich zum Düsenaustritt hin kegelstumpfförmig verjüngter Drallraum 2 eingebracht ist.
• Die Brennstoffzuführung in den zylindrischen Bereich des Drallraumes 2 erfolgt von außen her über tangential einmündende Zuführkanäle 3 und 4, deren Lage aus dem Querschnitt der Fig. 2 hervorgeht. Für die Brennstoffrückführung ist eine in axialer Richtung aus dem zylindrischen Bereich des Drallraumes 2 hinaus führende zylindrische Rücklaufbohrung 5 vorgesehen, welche über eine kegelstumpfförmige Erweiterung in ein mit dem Düsenkörper 1 verbundenes Rücklaufrohr 6 übergeht. Zur Stabilisierung der Rückl auf strömung ist innerhalb des Rücklaufrohres 6 eine Rücklaufnadel 7 vorgesehen, deren Durchmesser auf die Rücklaufbohrung 5 abgestimmt ist.
• Der nicht durch die Rücklaufbohrung 5 und die Rücklaufleitung 6 abfließende Brennstoff gelangt in einen sich an den kegelstumpfförmigen Bereich des Drallraumes 2 anschließenden Einspritzkanal 8, aus welchem er dann in Form eines durch die strichpunktierten Linien 9 ange- deutetFinEinspritzkegels austritt.
• Der Einspritzkanal 8 besteht aus einem langgestreckten, zylindrischen ersten Kanalabschnitt 81, der sich unmittelbar an die kegelstumpfförmige Verjüngung des Drallraume 2 anschließt und der unmittelbar vor dem Austritt über eine kurze kegelstumpfförmige Verjüngung in einen ebenfalls kurz ausgebildeten, zylindrischen zweiten Kanalabschnitt 82 übergeht.
• Während des Betriebes werden die Zuführkanäle 3 und 4 von außen, beispielsweise über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Ringraum, mit flüssigem Brennstoff beaufschlagt. Durch die tangentiale Ausrichtung der Zlführkanäle 3 und 4 wird dann dem in den Drallraum 2 e-'ntretenden Brennstoff ein Drall erteilt. Dieser Drall vird anschließend durch Reibung in dem ersten T-~analabschnitt 81 des Einspritzkanals 8 wieder verringert, wobei die Verringerung jedoch von der über die Rücklaud'menge einstellbaren Einspritzmenge abhängig ist. Bei kleinen Einspritzmengen verursacht die Reibung in dem ersten Kanalabschnitt 8< eine starke Verringerung des Dralles, während sich bei großen Einspritzmengen nur eine geringfügnge Beeinflussung des Dralles ergibt. Durch diese mit Ebnehmender Einspritzmenge zunehmende Verringerung dec Dralles und durch die anschließende Erhöhung der Axialgeschwindigkeit im Bereich des zweiten Kanal abschnittes 82 ergeben sich dann am Austritt des Einspritzkanals 8 Einspritzkegel 9 mit hoher Zerstäubungsgüte und mit von der Einsprit menge nahezu unabhängigen Kegelwinkel.
• Die Form des Einspritzkegels 9 kann dabei durch geeignete Wahl der Länge L und des Durchmessers D des ersten Kana~abschnittes 81 sowie des Durchmessers d des zweiten Kanal abschnittes 82 beeinflußt werden. Besonders günstige Ergebnisse werden bei D/d-Verhältnissen zwischen 1,1 und 1,5 und L/D-Verhältnissen'zwischen 2 und 10 erzielt.
• Abweichend von der in der Zeichnung dargestellten ?--ylin drischen Form kann der erste Kanalabschnitt 81 sich auch leicht konisch zum Austritt hin verjüngen, wobei ein Neigungsverhältnis von 1:10 jedoch nicht überschritten wird.
• Ebenso kann der zweite Kanalabschnitt 82 von der in der Zeichnung dargestellten zylindrischen Form abweichen und sich zum Austritt hin leicht konisch verjüngen oder leicht konisch erweitern. In diesem Fall ist bei den vorstehend angegebenen D/d-bzw. L/D-Verhältnissen der Durchmesser D auf das Endz des ersten Kanalabschnittes 81 und der Durchmesser d a? den Anfang des zweiten Kanalabschnittes 82 bezogen.
• 4 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite

Claims (4)

1. Patentanspriche D Rücklaufeinspritzdüse für die Zerstäubung von Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigen Brennstoffen in Gasturbinenbrennkammern, bestehend aus - einem Drallraum mit tangentialer Flüssigkeitszuführung, - einer mit dem Drallraum verbundenen, regelbaren Flüssigkeitsrickführung und - einem aus dem Drallraum hinausführenden Einspritzkanal mit kreisförmigem Querschnitt, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) der Einspritzkanal (8) besteht aus einem langgestreckten, zylindrischen oder leicht konischen ersten Kanalabschnitt (81) und einem unmittelbar vor dem Austritt beginnenden zweiten Kanalabschnitt (82), b) der Durchmesser (d) am Anfang des zweiten Kanalabschnittes (82) ist geringer als der Durchmesser (D) am Ende des ersten Kanalabschnittes (81).
2. 2. Rücklaufeinspritzdüse nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Übergang zwischen dem ersten Kanalabschnitt (81) und dem zweiten Kanalabschnitt (82) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
3. 3. Rücklaufeinspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verhältnis des Durchmessers (D) am Ende des ersten Kanalabschnittes (81) zum Durchmesser (d) am Anfang des zweiten Kanalabschnittes (82) zwischen 1,1 und 1,5 liegt.
4. 4. Rücklaufinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 1 a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verslältnls der axialen Länge (L) des ersten Kanalabschnittes (81) zum Durchmesser (D) am Ende des ersten Kanalabochnittes (81) zwischen 2 und 10 liegt.