CH670296A5 - Gas turbine fuel nozzle - has externally-supported premixing chamber for liq. fuel and air - Google Patents
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Abstract
Description
BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse mit Vormisch/ Vorverdampfungsrohr für eine Brennkammer einer Gasturbine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. DESCRIPTION The invention relates to a fuel nozzle with a pre-mixing / pre-evaporation tube for a combustion chamber of a gas turbine according to the preamble of claim 1.
Bei Brennkammern von Gasturbinen, die mit flüssigen Brennstoffen (Brennöl) ganz oder teilweise betrieben werden, stellt die Art der Brennstoffaufbereitung vor der eigentlichen Verbrennung eine sehr wichtige Komponente im Lichte einer schadstoffarmen und brennstoffsparsamen Verbrennung dar. In the case of combustion chambers of gas turbines which are operated in whole or in part with liquid fuels (fuel oil), the type of fuel preparation before the actual combustion is a very important component in the light of low-pollution and fuel-efficient combustion.
Vor allem bereitet die Einhaltung der Vorschriften über die maximal erlaubten NOx -Emissionen grosse Schwierigkeiten, insbesondere wenn - wie dies beispielsweise in den USA der Fall ist - zulässige Werte von maximal 75 ppm bei 15 Vol.-% 02 vorgeschrieben sind. Above all, compliance with the regulations on the maximum permitted NOx emissions is very difficult, especially if - as is the case, for example, in the USA - permissible values of a maximum of 75 ppm at 15% by volume 02 are prescribed.
Strebt man vor der eigentlichen Verbrennung eine vollständige Vermischung des Brennöls mit der verdichteten Luft an, so muss auf die Art der Zerstäubung dieses flüssigen Brennstoffes die grösste Aufmerksamkeit gerichtet werden, denn die durch die jeweilige Zerstäubung erzielte Tropfengrösse stellt schlussendlich ein Mass dar, ob die Verbrennung innerhalb der angestrebten Werte überhaupt möglich ist. - If one strives for a complete mixing of the fuel oil with the compressed air before the actual combustion, then the greatest attention must be paid to the type of atomization of this liquid fuel, because the drop size achieved by the respective atomization ultimately represents a measure of whether the combustion is even possible within the desired values. -
Es hat sich gezeigt, dass eine Zerstäubung durch Verwirbelung des Brennöls mit einem Teil der verdichteten Luft in einem geometrisch kleinen, der Verbrennungszone vorgelagerten Raum (Vormisch/Vorverdampfungsrohr) allein nicht genügt. Zwar wird damit sicher eine gewisse Vermischung erzielt, indessen sind die Öltropfen immer noch zu gross, als dass damit jene Gemischhomogenität erzielt werden könnte, die für eine schadstoffarme und brennstoffsparsame Verbrennung ausschlaggebend ist. It has been shown that atomization by swirling the fuel oil with part of the compressed air in a geometrically small space upstream of the combustion zone (premixing / pre-evaporation tube) alone is not sufficient. A certain mixing is certainly achieved with this, but the oil drops are still too large to achieve the mixture homogeneity that is decisive for low-pollutant and fuel-efficient combustion.
Dabei geht man bei dieser Technik von der Überlegung aus, dass der Verdampfungsgrad des Brennöl/Luft-Gemisches umso stärker ist, je grösser die Temperatur und die dortige Verweilzeit und je Meiner die sich bildenden Tropfen des zerstäubten Brennöls sind. Zwar Hesse sich die Tropfengrösse auf das erwünschte Mass reduzieren, indem Temperatur, Druck und Verweilzeit des Gemisches im Vormisch/Vorverdampfungsrohr erhöht wurden: Allein verringert sich damit die kritische Zeitdauer bis zur Selbstzündung des Gemisches, weshalb die Ersatzmassnahmen zur Minimierung der Tropfengrösse untauglich sind. This technique is based on the consideration that the degree of evaporation of the fuel oil / air mixture is greater, the higher the temperature and the dwell time there, and the more mine the drops of atomized fuel oil are. Although Hesse reduced the drop size to the desired level by increasing the temperature, pressure and residence time of the mixture in the pre-mixing / pre-evaporation tube: This alone reduces the critical time until the mixture self-ignites, which is why the alternative measures to minimize the drop size are unsuitable.
In EP-0 029 619 ist eine Lösung vorgeschlagen worden, wie die auf kleine Tropfen hinzielende Zerstäubung des Brennöls verbessert werden könnte. In EP-0 029 619 a solution has been proposed how the atomization of the fuel oil aimed at small drops could be improved.
Die dort beschriebene Brennstoffdüse weist ein Brennöl- The fuel nozzle described there has a fuel oil
mischsystem und oberhalb desselben ein Brenngasmischsystem auf. mixing system and above it a fuel gas mixing system.
Im Bereich des Brennölmischsystems, das durch eine aussen-gelagerte Vormischkammer gebildet ist, ist um eine zentrale brennstofführende Leitung, die einer unteren Wirbelkammer Brennstoff zufuhrt, eine Ringleitung für das Brennöl angeordnet, die über eine Bohrung mit der aussengelagerten Vormischkammer kommuniziert, und zwar etwa auf halber Kammerhöhe. Die Zerstäubungsluft, als Teil der verdichteten Luft mit höherem Druck, wird in diesem Bereich von gleichmässig über den Umfang verteilten Längsbohrungen gefasst und weiter stromabwärts geführt. Dabei münden diese Längsbohrungen etwa am unteren Ende der Vormischkammer in einen Ringraum, von wo aus die Zerstäubungsluft über eine Bohrung ebenfalls mit der aussengelagerten Vormischkammer kommuniziert. Die Vormischkammer selbst ist an ihrem oberen Ende mit einer Ringdüse versehen, über welche das hierin gebildete Gemisch gegen die Strömungsrichtung der verdichteten Luft im Vormisch/Vorverdampfungsrohr, das die Brennstoffdüse ummantelt, eingeblasen wird. Wohl kommt der Wahl eines hiefür geeigneten Einspritzwinkels eine entscheidende Bedeutung für das Ausmass der Vormischung zu, indessen kann damit auf die Tropfengrösse kein nennenswerter Einfluss mehr ausgeübt werden. Die Tropfengrösse wird hier allein von der senkrechten Prallwirkung des eingedüsten Brennöls gegen die Innenwand der Vormischkammer vorgegeben. Die in der Vormischkammer von unten kommende Zerstäubungsluft reisst lediglich das nun nebeiförmige Brennöl mit und transportiert es zur Ringdüse weiter, ohne dabei weitere verkleinernde Einwirkungen auf die Tropfengrösse ausüben zu können. In the area of the fuel oil mixing system, which is formed by an external premixing chamber, a ring line for the fuel oil is arranged around a central fuel-carrying line, which supplies fuel to a lower swirl chamber, and communicates via a hole with the externally mounted premixing chamber, approximately on half the chamber height. The atomizing air, as part of the compressed air with higher pressure, is held in this area by longitudinal holes evenly distributed over the circumference and guided further downstream. These longitudinal bores open into an annular space at about the lower end of the premixing chamber, from where the atomizing air also communicates with the externally mounted premixing chamber via a bore. The premixing chamber itself is provided at its upper end with an annular nozzle, via which the mixture formed therein is blown in against the direction of flow of the compressed air in the premixing / pre-evaporation tube, which surrounds the fuel nozzle. The choice of a suitable injection angle is of crucial importance for the extent of the premixing, but no significant influence can be exerted on the droplet size. The drop size is given here solely by the vertical impact of the fuel oil injected against the inner wall of the premixing chamber. The atomizing air coming from below in the premixing chamber only entrains the now nebulous fuel oil and transports it to the ring nozzle, without being able to have any further reducing effects on the drop size.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, die Tropfengrösse des zu zerstäubenden Brennöls zu minimieren, dergestalt, dass in der Brennzone der Brennkammer analoge Vormisch/Vorverdampfungsverhältnisse vorherrschen, wie sie bei einem Brenngas/Luft-Gemisch anzutreffen sind. The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, is based on the object of minimizing the droplet size of the fuel oil to be atomized, in such a way that in the combustion zone of the combustion chamber there are analogous pre-mixing / pre-evaporation ratios as are found in a fuel gas / air mixture .
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die tangential angelegten Bohrungen für die Eindüsung des Brennöls und der Zerstäubungsluft in die Vormischkammer dem sich dort bildenden Gemisch eine rotierende, nach oben gerichtete Drallbewegung aufgezwungen wird. Diese Drallbewegung zwingt der Zerstäubungsluft entlang der Vormischkammerwand eine Wellenbewegung auf, durch die aus dem weiter oben sich ebenfalls entlang der Vormischkammerwand gebildeten Ölfilm feine Öltropfen herausgerissen werden, wodurch die Vernebelung des Gemisches zunimmt. Darüber hinaus ist der Ausgang der Vormischkammer durch in Umfangsrichtung der Mündung eingeschnittene Spalte gebildet, wodurch die dort ankommende Gemischströmung zuerst auf Zwischenstege aufprallt, bevor sie durch die Spalte in das Vormisch/Vorverdampfungsrohr gegen die dort herrschende Strömung der verdichteten Luft entweichen kann. Der starke Drall der Gemischströmung und deren Aufprall auf die Stege am Ausgang der Vormischkammer bewirken einen Vermischungseffekt und eine weitere Minimierung der Tropfengrösse des Brennöls und somit eine optimale Vermischung/Verdampfung der Gemischmedien, schon bevor das Gemisch in das Vormisch/Vorverdampfungsrohr eintritt. The main advantage of the invention can be seen in the fact that the tangentially arranged bores for the injection of the fuel oil and the atomizing air into the premixing chamber force a rotating, upward swirl movement onto the mixture formed there. This swirling motion forces the atomizing air along the premixing chamber wall to make a wave movement, by means of which fine oil drops are torn out of the oil film also formed further up along the premixing chamber wall, whereby the atomization of the mixture increases. In addition, the outlet of the premixing chamber is formed by gaps cut in the circumferential direction of the mouth, as a result of which the mixture flow arriving there first strikes intermediate webs before it can escape through the column into the premixing / pre-evaporation tube against the flow of the compressed air prevailing there. The strong swirl of the mixture flow and its impact on the webs at the outlet of the premixing chamber result in a mixing effect and a further minimization of the drop size of the fuel oil and thus an optimal mixing / evaporation of the mixture media, even before the mixture enters the premixing / pre-evaporation pipe.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfin-dungsgemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Advantageous and expedient developments of the task solution according to the invention are characterized in the dependent claims.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt: An exemplary embodiment of the invention is shown schematically below with reference to the drawing. It shows:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Brennstoffdüse im Bereich des Brennölmischsystems, 1 shows a partial longitudinal section of the fuel nozzle in the area of the fuel oil mixing system,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse am Ausgang der Vormischkammer gemäss Schnittlinie II-II in Fig. 1, 2 shows a cross section through the fuel nozzle at the outlet of the premixing chamber according to section line II-II in FIG. 1,
Hg. 3 einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse bei der Einmündung des Brennöls in die Vormischkammer gemäss Schnittlinie III-III in Rg. 1 und Hg. 3 shows a cross section through the fuel nozzle at the confluence of the fuel oil in the premixing chamber according to section line III-III in Rg. 1 and
2 2nd
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
3 3rd
670 296 670 296
Fîg. 4 einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse bei der Einmündung der Zerstäubungsluft in die Vormischkammer gemäss Schnittlinie IV-IVin Fîg. 1. Fîg. 4 shows a cross section through the fuel nozzle when the atomizing air flows into the premixing chamber in accordance with section line IV-IV in FIG. 1.
Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente des Systems sind fortgelassen. All elements of the system which are not necessary for the immediate understanding of the invention have been omitted.
Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet. The direction of flow of the media is indicated by arrows.
Fîg. 1 zeigt den Teillängsschnitt einer Brennstoffdüse (1) mitsamt Vormisch/Vorverdampfungsrohr (15) im Bereich der dort eingeleiteten Vermischung zwischen flüssigem Brennstoff (Brennöl) und Zerstäubungsluft. In diesem Bereich ist um die zentrale Leitung 3, welche wechselweise Brennöl oder Brenngas führen kann und in die untere nicht dargestellte Wirbelkammer der Brennstoffdüse 1 einmündet, eine ölführende Ringleitung 4 angeordnet, welche etwa auf halber Höhe der Vormischkammer 5 endet. Mehrere in Umfangsrichtung jeweils untereinander angeordnete Bohrungspaare 6a und 6b durchstossen den Ringkörper 7 und speisen eine in Strömungsrichtung in sich geschlossene Ringöffnung 8. Von hier aus kommunizieren dann mehrere gegenüber der Ringöffnung 8 tangential angeordnete Bohrungen 9 über den Ringkörper 10 mit der Vormischkammer 5. Eine weitere konzentrische Ringleitung 11 führt als Zerstäubungsluft höher verdichtete Luft durch die Brennstoffdüse 1 heran. Oberhalb der ölführenden tangentialen Bohrungen 9 geht die zerstäu-bungsluftführende Ringleitung 11 in mehrere über den Umfang verteilte Längsdurchbrüche 12 über, welche die seitliche Eindü-sung des Brennöls 4 in die Vormischkammer 5 überbrücken. Fîg. 1 shows the partial longitudinal section of a fuel nozzle (1) together with the premixing / pre-evaporation tube (15) in the region of the mixing between liquid fuel (fuel oil) and atomizing air introduced there. In this area, an oil-carrying ring line 4 is arranged around the central line 3, which can alternately lead to fuel oil or fuel gas and flows into the lower swirl chamber (not shown) of the fuel nozzle 1, which ends approximately halfway up the premixing chamber 5. A plurality of pairs of bores 6a and 6b arranged one below the other in the circumferential direction penetrate the ring body 7 and feed a ring opening 8 which is self-contained in the flow direction. From here, a plurality of bores 9 arranged tangentially with respect to the ring opening 8 communicate with the premixing chamber 5 via the ring body 10 Concentric ring line 11 brings higher compressed air through the fuel nozzle 1 as atomizing air. Above the oil-carrying tangential bores 9, the ring air 11 carrying the atomizing air merges into a plurality of longitudinal openings 12 distributed over the circumference, which bridge the lateral injection of the fuel oil 4 into the premixing chamber 5.
Etwa gegen das untere Ende der Vormischkammer 5 wird die zerstäubungsluftfuhrende Ringleitung 11 wieder erstellt. Von hier aus durchbrechen mehrere Bohrungen 13 den Ringkörper 10 und speisen durch tangentiale Zuströmimg die Vormischkammer 5 mit Zerstäubungsluft 11. Die Vormischkammer 5 ist an ihrem oberen Ende durch in Umfangsrichtung der Mündung eingeschnittene Spalte 14 versehen, über welche das dort ankommende Gemisch in das Vormisch/Vorverdampfungsrohr 15 entweichen kann. Die Richtung der Spalte ist so ausgelegt, dass das Gemisch gegen die dort heranströmende verdichtete Luft 2 aufprallt. Durch die tangential angelegten Bohrungen für die Eindüsung des Brennöls 9 und der Zerstäubungsluft 13 in die Vormischkammer 5 wird dem sich dort bildenden Gemisch eine rotierende, gegen die Mündung der Vormischkammer 5 gerichtete Drallbewegung aufgezwungen. Eine Vernebelung des eingespritzten Brennöls findet hier durch die von der Drallbewegung der Gemischströmung verursachte Aufprallarbeit entlang der Vormischkammerwände statt. Darüber hinaus prallt die Gemischströmung am Ausgang der Vormischkammer gegen die Stege 17 zwischen den einzelnen Spalten 14, dergestalt, dass die Drallbewegung des Gemisches abgebremst wird und so eine zusätzliche Verkleinerung der Tropfengrösse des Around the lower end of the premixing chamber 5, the ring air 11 carrying atomizing air is created again. From here, several bores 13 break through the annular body 10 and feed the premixing chamber 5 with atomizing air 11 through tangential inflow. Pre-evaporation pipe 15 can escape. The direction of the gaps is designed such that the mixture impacts against the compressed air 2 flowing there. Due to the tangentially arranged bores for the injection of the fuel oil 9 and the atomizing air 13 into the premixing chamber 5, a rotating swirl movement directed against the mouth of the premixing chamber 5 is forced on the mixture formed there. The injected fuel oil is nebulized here by the impact work along the premixing chamber walls caused by the swirl movement of the mixture flow. In addition, the mixture flow impinges at the outlet of the premixing chamber against the webs 17 between the individual columns 14 in such a way that the swirl movement of the mixture is braked and thus an additional reduction in the droplet size of the
Brennöls verursacht, womit zusätzlich auch eine Vernebelung des Gemisches entsteht. Erst bei relativ kleinen Geschwindigkeiten vermag das Gemisch zwischen den Spalten 14 zu entweichen und sich mit der verdichteten Luft 2 im die Brennstoffdüse 1 umman-5 telnden Vormisch/Vorverdampfungsrohr 15 zu vermischen. Kurz vor der Mündung der Vormischkammer 5 erhält die Gemischströmung eine zusätzliche Beschleunigung, indem dort die lichte Weite der Vormischkammer 5 sich lavaldüsenartig (16) verengt. Die Wahl des geeigneten Einspritzwinkels des Gemisches aus der io Vormischkammer 5 gegen die verdichtete Luft 2 im Vormisch/ Vorverdampfungsrohr 15 hängt von zahlreichen thermodynami-schen und geometrischen Parametern ab, so dass ohne deren Kenntnis keine aussagekräftigen Werte bekanntgegeben werden können. Fuel oil causes, which also creates a nebulization of the mixture. Only at relatively low speeds is the mixture able to escape between the gaps 14 and to mix with the compressed air 2 in the premixing / pre-evaporation tube 15 which surrounds the fuel nozzle 1. Shortly before the premixing chamber 5 opens, the mixture flow receives an additional acceleration by narrowing the clear width of the premixing chamber 5 like a laval nozzle (16). The choice of the suitable injection angle of the mixture from the pre-mixing chamber 5 against the compressed air 2 in the pre-mixing / pre-evaporation pipe 15 depends on numerous thermodynamic and geometric parameters, so that without their knowledge no meaningful values can be disclosed.
15 Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse 1 am Ausgang der Vormischkammer 5. Ersichtlich ist die zentrale, brennstofführende Leitung 3, die ölführende Ringleitung 4, die zerstäubungsluftführende Ringleitung 11. Das hier gezeigte Beispiel ist mit 36 Spalten 14 eingeschnitten, deren mittlere Durch-20 flussöffnung 1/20-1/30 des mittleren Durchmessers der Vormischkammer 5 beträgt. Dazwischen ist die Mündung der Vormischkammer 5 mit Stegen 17 ausgefüllt, gegen welche die Gemischströmung aufprallt, abgebremst und verdampft wird. FIG. 2 shows a cross section through the fuel nozzle 1 at the outlet of the premixing chamber 5. The central, fuel-carrying line 3, the oil-carrying ring line 4, the atomizing-air-conducting ring line 11 can be seen. The example shown here is cut with 36 columns 14, the average diameter of which -20 flow opening 1 / 20-1 / 30 of the average diameter of the premixing chamber 5. In between, the mouth of the premixing chamber 5 is filled with webs 17, against which the mixture flow impacts, is braked and evaporated.
Fig. 3 zeigt dann einen Querschnitt durch die Brennstoff-25 düse 1 bei der Einmündung des Brennöls 9 in die Vormischkammer 5. 3 then shows a cross section through the fuel nozzle 1 at the point where the fuel oil 9 flows into the premixing chamber 5.
Ersichtlich ist wiederum die zentrale, brennstofführende Leitung 3, die ölführende Ringleitung 4, die zerstäubungsluftführen-den Längsdurchbrüche 12, welche zwischen den Bohrungen 6a -30 und nicht ersichtlich 6b - ausgenommen sind. Die ölführende Ringleitung 4 kommuniziert über die Bohrungspaare 6a und 6b mit der im Ringkörper 7 ausgenommenen Ringleitung 8, aus welcher die Bohrungen 9 zumindest annähernd tangential ausgehen, den Ringkörper 10 durchstossen und in die Vormischkammer 5 35 einmünden. Im hier gezeigten Beispiel sind 5 Bohrungen 9 vorgesehen, deren Durchmesser 1/10-1/30 des mittleren Durchmessers der Vormischkammer 5 beträgt. Again, the central, fuel-carrying line 3, the oil-carrying ring line 4, the atomizing air-guiding longitudinal openings 12, which are excluded between the bores 6a-30 and not visible 6b - can be seen. The oil-carrying ring line 4 communicates via the pairs of holes 6a and 6b with the ring line 8, which is recessed in the ring body 7 and from which the holes 9 extend at least approximately tangentially, penetrate the ring body 10 and open into the premixing chamber 5 35. In the example shown here, 5 bores 9 are provided, the diameter of which is 1 / 10-1 / 30 of the average diameter of the premixing chamber 5.
Fig. 4 zeigt einen weiteren Querschnitt durch die Brennstoffdüse 1, und zwar bei der Einmündung der Zerstäubungsluft 11 in die Vormischkammer 5. Auch hier ist die zentrale, brennstofführende Leitung 3 ersichtlich. Konzentrisch dazu die zerstäubungsluftfuhrende Ringleitung 11, aus der die Bohrungen 13 zumindest annähernd tangential ausgehen, um nach Durchstossung des Ringkörpers 10 in die Vormischkammer 5 einzumünden. Das hier gezeigte Beispiel weist fünf in Umfangsrichtung gleichmässig verteilte Bohrungen 9 auf, deren Durchmesser 1/15-1/25 des mittleren Durchmessers der Vormischkammer beträgt. FIG. 4 shows a further cross section through the fuel nozzle 1, specifically when the atomizing air 11 flows into the premixing chamber 5. The central, fuel-carrying line 3 can also be seen here. Concentric to this is the atomizing air-carrying ring line 11, from which the bores 13 extend at least approximately tangentially, in order to open into the premixing chamber 5 after the annular body 10 has been pierced. The example shown here has five holes 9, which are evenly distributed in the circumferential direction and whose diameter is 1 / 15-1 / 25 of the average diameter of the premixing chamber.
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---|---|---|---|
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PLX | Patent declared invalid from date of grant onwards |