EP0043908B1 - Zerstäuberdüse für kontinuierliche Brennstoffeinspritzung - Google Patents
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- EP0043908B1 EP0043908B1 EP81104123A EP81104123A EP0043908B1 EP 0043908 B1 EP0043908 B1 EP 0043908B1 EP 81104123 A EP81104123 A EP 81104123A EP 81104123 A EP81104123 A EP 81104123A EP 0043908 B1 EP0043908 B1 EP 0043908B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
- F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
- F23D11/106—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet
Definitions
- the invention relates to an atomizer nozzle for continuous fuel injection, preferably in combustion chambers of gas turbines, with a central nozzle body for supplying fuel and with an arrangement concentric with it for annular supply of air.
- An atomizer nozzle of the type mentioned is known in which the air coming from the compressor is guided in a ring in a concentric ring to the nozzle body and in the vicinity of the nozzle opening a swirl device is intended to improve the atomization (DE-A-1 501 934). Since the air and the fuel move essentially in the same direction, the fuel and air are swirled at most in an edge zone of the fuel jet. The swirl device creates a pressure drop without achieving the intended effect.
- a fuel injection device in which a nozzle body provided with swirl vanes is provided for fuel supply and several air supply devices are provided for fuel atomization, some of which have differently oriented swirl vanes for generating oppositely oriented air vortices.
- This fuel injection device therefore requires a considerable amount of construction work and, in addition, considerable delivery rates for fuel atomization, which in many applications can only be made available under difficult conditions.
- the invention has for its object to provide a simple atomizer nozzle for continuous fuel injection, which does not require any moving parts and ensures a high degree of atomization with little air addition.
- This object is achieved in that the nozzle body has a coaxial, open nozzle bore as the fuel supply, which is assigned to an interior that is connected to the combustion chamber through pressure compensation openings, that the arrangement for air supply from an air inlet and an internal annular gap
- an annular body which is arranged such that the annular gap is provided behind the nozzle bore and the interior in the injection direction and the air supply from the annular gap is directed radially symmetrically inwards in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle bore.
- the atomization of a fuel jet is essentially based on the disturbance of the surface tension of the liquid cylinder, which forms after leaving the jet from the nozzle bore. If, for disturbing the surface tension, an air jet is used, which according to the invention emerges from an annular gap arranged around the free fuel jet, so that the air hits the fuel jet in a vertical plane in a radially symmetrical manner, then small amounts of air and a low air pressure and thus a low air delivery rate are sufficient to atomize one certain amount of fuel.
- An essential feature of this atomizing nozzle is that the fuel jet enters a room which has the same pressure as the room into which the fuel mist is conveyed.
- the pressure equalization lines according to the invention are provided, by means of which the air delivery capacity required for atomization can be significantly reduced. While known versions 10 to 25 need for delivery rate for fuel atomization, the injection nozzle designed according to the invention comes with about 0.5 to 3.0 out. The atomization of the liquid is so fine that a liquid mist is created, the expansion of which is carried out by the supplied air. The guidance of the air and not the direction of the fuel supply thus gives the spray angle.
- the atomizer nozzle is composed of a single nozzle body of the central nozzle bore and a special ring body with an annular nozzle.
- spacers which are fixedly arranged on one or the other part or by means of interposed ones, pressure compensation openings between the two parts are formed by the gaps between the spacers when connecting by means of screws or rivets.
- the air is supplied through an annular nozzle which generates a sharp jet with a narrowed gap. This can further increase the atomizing effect.
- the injection nozzle is used in combination with evaporator tubes, such as those used in gas turbine annular combustion chambers, the generation of a fuel mist is only necessary in the starting phase. In all other engine operating states, the nozzle works as a simple spray tube, so that the air supply is switched off according to the invention. The fuel evaporation is then carried out exclusively by the heated evaporation pipes.
- the figure shows a section through an atomizing nozzle according to the invention.
- the nozzle body 1 with the central nozzle bore 2 and an annular body 3 with the annular gap 4 are connected to one another by screws 5.
- Spacers 6 in the form of washers are arranged between the nozzle body 1 and the ring body 3, through which the pressure compensation openings 7 are created.
- the ring body 3 has an inner annular space 8, into which an air supply line 9 opens.
- the pressure compensation openings 7 represent the connection between an interior space 11 located between the nozzle bore 2 and the annular gap 4 and the surrounding space 10 outside the annular body 3, ie the combustion chamber of a gas turbine.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Zerstäuberdüse für kontinuierliche Brennstoffeinspritzung, vorzugsweise in Brennkammern von Gasturbinen, mit einem zentralen Düsenkörper zur Brennstoffzuführung und mit einer dazu konzentrischen Anordnung zur ringförmigen Luftzuführung.
- Es ist eine Zerstäuberdüse der genannten Gattung bekannt, bei der die vom Verdichter kommende Luft in einer Düse ringförmig konzentrisch zum Düsenkörper geführt wird und in der Umgebung der Düsenöffnung eine Drallvorrichtung eine Verbesserung der Zerstäubung bewirken soll (DE-A-1 501 934). Da die Luft und der Brennstoff sich im wesentlichen gleichsinnig bewegen, findet eine Verwirbelung von Brennstoff und Luft allenfalls in einer Randzone des Brennstoffstrahles statt. Die Drallvorrichtung erzeugt einen Druckverlust, ohne die beabsichtigte Wirkung zu erzielen.
- Aus der GB-A-1 478 394 ist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung bekannt, bei der zur Brennstoffzuführung ein mit Drallschaufeln versehener Düsenkörper und zur Kraftstoffzerstäubung mehrere Luftzuführungseinrichtungen vorgesehen sind, die teilweise verschiedenartig ausgerichtete Drallschaufeln zur Erzeugung von gegensinnig orientierten Luftwirbeln aufweisen. Diese Brennstoffeinspritzvorrichtung erfordert somit einen beträchtlichen Bauaufwand und darüber hinaus erhebliche Förderleistungen zur Kraftstoffzerstäubung, die in vielen Einsatzfällen nur unter erschwerten Bedingungen zur Verfügung gestellt werden können.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Zerstäuberdüse für die kontinuierliche Brennstoffeinspritzung vorzulegen, die ohne bewegliche Teile auskommt und bei geringer Luftzugabe einen hohen Grad der Zerstäubung sicherstellt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Düsenkörper als Brennstoffzuführung eine koaxiale, offene Düsenbohrung aufweist, die einem Innenraum zugeordnet ist, der durch Druckausgleichsöffnungen mit der Brennkammer in Verbindung steht, daß die Anordnung zur Luftzuführung aus einem mit einem Lufteinlaß und einem innenliegenden Ringspalt versehenen Ringkörper besteht, der derart angeordnet ist, daß der Ringspalt in Einspritzrichtung hinter der Düsenbohrung und dem Innenraum vorgesehen ist und die Luftzuführung aus dem Ringspalt in einer senkrechten Ebene zur Längsachse der Düsenbohrung radialsymmetrisch nach innen gerichtet erfolgt.
- Die Zerstäubung eines Kraftstoffstrahles beruht im wesentlichen auf der Störung der Oberflächenspannungen des Flüssigkeitszylinders, der sich nach dem Verlassen des Strahles aus der Düsenbohrung bildet. Benutzt man zur Störung der Oberflächenspannung einen Luftstrahl, der erfindungsgemäß aus einem um den freien Brennstoffstrahl angeordneten Ringspalt austritt, so daß die Luft den Brennstoffstrahl in einer senkrechten Ebene radialsymmetrisch trifft, so genügen geringe Luftmengen und ein geringer Luftdruck und damit eine geringe Luftförderleistung zur Zerstäubung einer bestimmten Brennstoffmenge. Ein wesentliches Merkmal dieser Zerstäuberdüse besteht darin, daß der Brennstoffstrahl in einen Raum eintritt, der den gleichen Druck aufweist wie der Raum, in den der Brennstoffnebel gefördert wird. Hierzu sind die erfindungsgemäßen Druckausgleichsleitungen vorgesehen, durch die die zur Zerstäubung notwendige Luftförderleistung deutlich herabgesetzt werden kann. Während bekannte Ausführungen 10 bis 25
- In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführung ist die Zerstäuberdüse zusammengesetzt aus einem einzelnen Düsenkörper der zentralen Düsenbohrung und einem besonderen Ringkörper mit einer Ringdüse. Durch an dem einen oder anderen Teil fest angeordnete oder durch zwischengelegte Distanzstücke werden beim Verbinden mittels Schrauben oder Nieten Druckausgleichsöffnungen zwischen den beiden Teilen durch die Spalte zwischen den Distanzstücken gebildet. Die Luftzuführung erfolgt in besonderer erfindungsgemäßer Ausgestaltung durch eine Ringdüse, die mit einem verengten Spalt einen scharfen Strahl erzeugt. Hierdurch kann die zerstäubende Wirkung weiter erhöht werden.
- Wird die Einspritzdüse in Kombination mit Verdampferrohren, wie sie an Gasturbinen-Ringbrennkammern verwendet werden, eingesetzt, so ist die Erzeugung eines Brennstoffnebels nur in der Startphase erforderlich. In allen anderen Triebwerksbetriebszuständen arbeitet die Düse dadurch als einfaches Spritzrohr, so daß die Luftzuführung erfindungsgemäß abgeschaltet wird. Die Brennstoffverdampfung wird dann ausschließlich von den erhitzten Verdampfungsrohren übernommen.
- Die Abbildung zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Zerstäuberdüse. Hierin sind der Düsenkörper 1 mit der zentralen Düsenbohrung 2 sowie ein Ringkörper 3 mit dem Ringspalt 4 durch Schrauben 5 miteinander verbunden. Zwischen Düsenkörper 1 und Ringkörper 3 sind Distanzstücke 6 in Form von Unterlegscheiben angeordnet, durch die die Druckausgleichsöffnungen 7 erzeugt werden. Der Ringkörper 3 weist einen inneren Ringraum 8 auf, in den eine Luftzuführungsleitung 9 einmündet. Die Druckausgleichsöffnungen 7 stellen die Verbindung von einem zwischen Düsenbohrung 2 und Ringspalt 4 gelegenen Innenraum 11 und dem außerhalb des Ringkörpers 3 liegenden Umgebungsraum 10, d. h. der Brennkammer einer Gasturbine, dar.
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