DE1167596B

DE1167596B - Two-stage injection nozzle

Info

Publication number: DE1167596B
Application number: DEV17342A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Weise
Original assignee: GASTURBINENBAU und ENERGIEMASC
Current assignee: GASTURBINENBAU und ENERGIEMASC
Priority date: 1959-10-02
Filing date: 1959-10-02
Publication date: 1964-04-09

Description

Zweistufige Einspritzdüse Die Erfindung betrifft eine zweistufige Einspritzdüse für Gasturbinen und Strahltriebwerke, bei der jeder Stufe ein Drallraum zugeordnet ist, in welche der Brennstoff durch Tangentialbohrungen oder Schlitze zugeführt wird, wobei der Drallraum der zweiten Stufe in Strömungsrichtung gesehen vor dem mit der Düsenöffnungsbohrung versehenen Drallraum der ersten Stufe zugeordnet ist und die Austrittsbohrung des Drallraumes der zweiten Stufe mutig in dem Drallraum der ersten Stufe mündet.Two-stage injection nozzle The invention relates to a two-stage injection nozzle Injection nozzle for gas turbines and jet engines, in which each stage has a swirl chamber is assigned, in which the fuel through tangential bores or slots is supplied, the swirl chamber of the second stage seen in the direction of flow assigned in front of the swirl space provided with the nozzle opening bore of the first stage is and the exit hole of the swirl chamber of the second stage courageously in the swirl chamber the first stage opens.

Untersuchungen an Einspritzdüsen haben gezeigt, daß die Größe des Drallraumes im Verhältnis zu den Zuströmquerschnitten von großer Bedeutung für dir, Güte der Zerstäubung ist. Es muß darauf geachtet werden, daß dieses Verhältnis nicht zu groß wird, da sonst zu viel Energie zum Antrieb der sich im Drallraum drehenden Kraftstoffmenge verlorengeht und somit der Zerstäubung nicht mehr zur Verfügung steht. Das gilt besonders für die sehr kleinen Mengen bei der Inbetriebnahme z. B. eines Turbinenluftstrahl-Triebwerkes.Investigations on injection nozzles have shown that the size of the Swirl space in relation to the inflow cross-sections of great importance for you, Goodness of atomization is. Care must be taken that this ratio does not becomes too big, otherwise too much energy to drive the rotating in the swirl space The amount of fuel is lost and therefore no longer available for atomization stands. This is especially true for the very small quantities when commissioning z. B. a turbine air jet engine.

Es sind zweistufige Einspritzdüsen bekannt, bei denen die erste und zweite Stufe einen gemeinsamen Drallraum besitzen. Nachteilig ist bei dieser Ausführung, daß beim Betrieb der ersten Stufe die geringe Kraftstoffmenge dieser Stufe die ganze Drallraumfüllung mittreiben muß und somit ein Teil der Zerstäubungsenergie verlorengeht. Das führt zu einer nicht so guten Zerstäubung als wenn der ersten Stufe ein eigener ihr angemessener kleiner Drallraum zugeordnet ist. Weiterhin sind zweistufige Brennstoffdüsen mit zwei getrennten Drallräumen bekannt. Die Drällräume verschiedener Größe sind bei dieser Ausführung konzentrisch derart angeordnet, daß der Förderdruck an der kleinen Düsenöffnung von einem bestimmten Regelwert ab austretende Brennstoffmenge auch bei einem für den betreffenden Düsenquerschnitt noch unzureichenden Förderdruck zu zerstäuben. Dabei übt der aus der kleineren Öffnung austretende Sprühstrahl eine Ejektorwirkung auf die aus der größeren Öffnung im kritischen Regelbereich tröpfelnd ausfließende Flüssigkeit aus. Hierbei bilden sich bei dieser Ausführung beim Betrieb beider Stufen gemeinsam Spritzkegel aus, welche sich untereinander stören können. Auch können diese Düsen fertigungsmäßig nur unter großem Aufwand hergestellt werden.There are two-stage injection nozzles known in which the first and second stage have a common swirl space. The disadvantage of this version is that when operating the first stage, the small amount of fuel of this stage the whole Swirl space filling must drive along and thus part of the atomization energy is lost. This leads to a not as good atomization as if the first stage was its own their appropriate small swirl space is assigned. There are also two-stage fuel nozzles known with two separate swirl spaces. The swirl spaces are of different sizes in this embodiment arranged concentrically so that the delivery pressure at the small nozzle opening of a certain control value from the amount of fuel escaping even if the delivery pressure is still insufficient for the nozzle cross-section in question to atomize. The spray jet emerging from the smaller opening exerts a Ejector effect on the trickling out of the larger opening in the critical control range outflowing liquid. In this case, they form during operation spray cones from both stages, which can interfere with one another. In terms of production, these nozzles can only be produced with great effort.

Bei der eingangs erwähnten Ausführung hat die Düsenöffnungsbohrung einen größeren Druchmesser als die Austrittsbohrung der zweiten Stufe. Dadurch tritt folgender Nachteil auf.In the embodiment mentioned at the beginning, the nozzle opening has a bore a larger diameter than the exit hole of the second stage. This occurs the following disadvantage.

Bei Betrieb der beiden Stufen spritzt die große Menge Kraftstoff durch die kleinere Austrittsbohrung in den Drallraum und stört dort eine geordnete Drallströmung. Es bilden sich dabei zwei Drall- oder Luftkerne mit verschiedenem Durchmesser, die aufeinander einen ungünstigen Einfluß nehmen. Dadurch wird ein großer Teil der Energie des rotierenden Kraftstoffes vernichtet, der der Zerstäubung verlorengeht, wodurch die Zerstäubungsgüte geringer wird.When operating the two stages, the large amount of fuel sprays through the smaller outlet hole into the swirl space and disrupts an orderly swirl flow there. Two swirl or air cores with different diameters are formed, the exert an unfavorable influence on one another. This gets a lot of the energy of the rotating fuel is destroyed, which is lost to atomization, as a result of which the atomization quality is lower.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine zweistufige Einspritzdüse zu schaffen, bei der die Drallströmung in dem letzten Ringraum ungestört erhalten bleibt.The object of the invention is therefore to provide a two-stage To create injection nozzle in which the swirl flow in the last annulus is undisturbed preserved.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Austrittsbohrung der zweiten Stufe und dieDüsenöffnungsbohrung gleichen Durchmesser aufweisen.According to the invention this is achieved in that the outlet bore the second stage and the nozzle opening bore have the same diameter.

Dadurch wird vorteilhaft eine ungestörte Drallströmung erhalten, da durch die beiden sich bildenden Drallkerne bei Betrieb der beiden Stufen der Einspritzdüse keine gegenseitige störende Beeinflussung stattfindet. An einem Ausführungsbeispiel ist die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen zweistufigen Einspritzdüse näher erläutert. Die Einspritzdüse besteht aus einem Drallraum 1 für die erste Stufe sowie einem Drallraum 2 für die zweite Stufe. Der Drallraum 2 der zweiten Stufe ist vor dem mit der Düsenöffnung 3 versehenen Drallraum 1 der ersten Stufe angeordnet. Der Drallraum 2 weist eine Austrittsbohrung 4 auf, der in dem Drallraum 1 der ersten Stufe mündet. Die Zuführung des Brennstoffes in die Drallräume 2, 1 der zweiten und ersten Stufe erfolgt mittels tangentialer Bohrungen oder Schlitze 5, 6. Der Drallraum 1 der ersten Stufe weist entsprechend den bei normalen Betriebsbedingungen erforderlichen geringen Kraftstoffmengen ein kleineres Volumen auf als der Drallraum 2 der zweiten Stufe, der bei Vollast mit einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge beaufschlagt wird. Beim Anfahren einer Gasturbine wird der Drallraum 1 der ersten Stufe über die tangentialen Bohrungen 6 beaufschlagt. Damit füllt sich gleichzeitig der Drallraum 2 der zweiten Stufe mit Kraftstoff, der sich mit geringer Geschwindigkeit in diesem Drallraum dreht, da er über die Austrittsbohrung 4 in Berührung mit dem Drallraum 1 steht. Es entsteht dabei ein nicht mit dargestellter zylindrischer Wirbel- oder Luftkern, der durch die beiden Drallräume 1, 2 bis zur Düsenmündung verläuft und der im Durchschnitt etwas kleiner ist als die beiden Bohrungen 3, 4. Für den aussprühenden Kraftstoff verbleibt sodann ein Ringraum zwischen der Düsenöffnungsbohrung 4 und dem genannten Luftkern, wobei der Kraftstoff über die äußere Kante der Düsenöffnungsbohrung 3 abspritzt. Diese Antriebsenergie, die durch das Mitbewegen des Kraftstoffes in der zweiten Stufe verlorengeht, ist sehr gering und hat keinen Ein$uß auf die Güte der Zerstäubung.As a result, an undisturbed swirl flow is advantageously obtained, since the two swirl cores that are formed do not interfere with one another when the two stages of the injection nozzle are in operation. The mode of operation of the two-stage injection nozzle according to the invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The injection nozzle consists of a swirl chamber 1 for the first stage and a swirl chamber 2 for the second stage. The swirl chamber 2 of the second stage is arranged in front of the swirl chamber 1 of the first stage, which is provided with the nozzle opening 3. The swirl space 2 has an outlet bore 4 which opens into the swirl space 1 of the first stage. The fuel is fed into the swirl chambers 2, 1 of the second and first stage by means of tangential bores or slots 5, 6. The swirl chamber 1 of the first stage has a smaller volume than the swirl chamber 2 of the second, corresponding to the small amounts of fuel required under normal operating conditions Stage to which a correspondingly larger amount of fuel is applied at full load. When a gas turbine is started up, the swirl chamber 1 of the first stage is acted upon via the tangential bores 6. The swirl chamber 2 of the second stage is thus simultaneously filled with fuel, which rotates at low speed in this swirl chamber because it is in contact with the swirl chamber 1 via the outlet bore 4. The result is a cylindrical vortex or air core, not shown, which runs through the two swirl chambers 1, 2 to the nozzle orifice and which is on average slightly smaller than the two bores 3, 4. An annular space then remains between the sprayed fuel Nozzle opening bore 4 and said air core, the fuel spraying over the outer edge of the nozzle opening bore 3. This drive energy, which is lost by moving the fuel with it in the second stage, is very small and has no effect on the quality of the atomization.

Bei Vollast wird die zweite Stufe dadurch in Betrieb gesetzt, daß der Drallraum 2 über die tangentialen Bohrungen 5 beaufschlagt wird. Es bildet sich dabei wieder ein durch die beiden Drallräume 1, 2 bis zur Düsenmündung verlaufender zylindrischer Drall- oder Luftkern, der im Durchmesser etwas kleiner ist als im Betrieb nur der ersten Stufe, da nun auch die Kraftstoffmenge der ersten Stufe durch diese Düsenöffnungsbohrung 3 bewegt wird. Der Kraftstoff spritzt sodann aus dem verbleibenden Rmgraum zwischeu der Düsenöffnungsbohrung 3 und dem Drall-bzw. Luftkern über die äußerste Kante der Düsenöffnung ab. Auf diese Weise ist für beide Betriebsbereiche die Zerstäubung sehr gut, da keine gegenseitig störende Beeinflussung der beiden Stufen gegeben ist. Die beiden Drallräume können beliebig gestaltet werden. Die Form der Drallräume ist unabhängig von der Wirkungsweise der Erfindung.At full load, the second stage is put into operation that the swirl space 2 is acted upon via the tangential bores 5. It forms again one running through the two swirl chambers 1, 2 up to the nozzle mouth cylindrical swirl or air core, which is slightly smaller in diameter than in Operation of the first stage only, as the fuel quantity of the first stage is now through this nozzle opening bore 3 is moved. The fuel then squirts out of the remaining Rmgraum between the nozzle opening bore 3 and the swirl or. Air core over the outermost edge of the nozzle opening. This way is for both areas of operation the atomization is very good, as there is no mutual interference between the two Levels is given. The two swirl spaces can be designed as desired. the The shape of the swirl spaces is independent of the mode of operation of the invention.

Claims

Claim: Two-stage injection nozzle for gas turbines and jet engines, in which each stage is assigned a swirl chamber into which the fuel flows Tangential bores or slots is supplied, the swirl space of the second Stage, seen in the direction of flow, in front of the one provided with the nozzle opening bore Swirl space is assigned to the first stage and the outlet bore of the swirl space the second stage opens in the middle of the swirl chamber of the first stage, characterized in that that the outlet bore (4) of the second stage and the nozzle opening bore (3) have the same diameter. In. References Considered: United States Patent Specification No. 2 701164.