DE1457272A1

DE1457272A1 - Vorrichtung zum gesteuerten Einfuehren eines Stroemungsmittels in ein anderes Stroemungsmittel

Info

Publication number: DE1457272A1
Application number: DE19641457272
Authority: DE
Inventors: Rowe Rodney Alan; Withers John William
Original assignee: Bristol Siddeley Engines Ltd
Current assignee: Bristol Siddeley Engines Ltd
Priority date: 1963-10-22
Filing date: 1964-10-21
Publication date: 1969-02-06
Also published as: GB1104531A; US3288447A

Description

PATENTANWÄLTE Λ / ΓΠ-ιΠΛ

dr. ing. H. NEGENDANK · dipu-ing. H. H AUCK · DiPL-PHYS-W. SCHMITZ

ZUSTELI/UNGSANSCHRIFT: KAMBURG 36 · NETTER WALL· H

TBL. 3Θ 74 28 UND IG 41 15 4 A C"7 272 6 TKtEGR. NBGBDAPATKNT HAMBURG

—————— MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR. 23

BRISTOL SIDDEI(EI EHGIHES HMISED

TELBGR. NEGEDAPATBNT MUHTCHBIr

Stonebridge House» Colston Avenue

Hamburg, 11. Juni 1968

Torrichtung zum gesteuerten Einführen eines Strömungsmittels in ein anderes Strömungsmittel

Zusatz zum Patent . ... ... (Patentanmeldung B 67 480 IXb/12e)

, cn

Die Hauptanmeldung B 67 480 IZb/12e beschreibt eine Erfindung, ο

welche sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Einführen eines ersten Strömungsmittels in ein zweies Strömungsmittel bezieht, derart, daß eine gesteuerte Ausdehnung des ersten Strömungsmittels in das zweite Strömungsmittel erfolgt. Hierzu wird auf die vorerwähnte Erfindung verwiesen.

Die grundsätzliche Anordnung der Vorrichtung in Verbindung zu der vorstehenden Erfindung kann wie folgt definiert werden: Ein in den zweiten Strömungsmittelstrom eingetauchtes Rohr, mit im Abstand voneinander längs des Rohres einzeln angeordneten ersten und zweiten Einlassen Jfc den Eintritt des ersten Strömungsmittels und eines anderen Strömungsmittels, so daß sie zusammentreffen, ohne sich wesentlich zu mischen und eine schräg verlaufende gemeinsame Grenzscheide in dem Rohr bilden, ein längs des Rohres zwischen den beiden Einlassen verteiltes Ausgangsöffnungssystem und verschiedene

Neue Unterlagen (Ait7$1Abfc2l*.lS«te3de«ÄiKierungseea.v.4.9. -

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Mittel zur Steuerung des Strömungsmittelflusses zu einem der Einlasse, so daß das erste Strömungsmittel das Rohr durch einen ersten Bereich des AusgangsÖffnungssystems und das andere Strömungsmittel durch einen verbleibenden Bereich des Ausgangsöffnungssystems verläßt und Veränderungen in der Steuerung des Strömungsmittelflusses Veränderungen in der Ausdehnung des ersten Bereiches des Ausgangsöffnungssystems bewirken.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind Vorrichtungen in Übereinstimmung mit der vorerwähnten Erfindung (Hauptanmeldung) eingeschlossen, welche in Verbindung mit dem Rohr Mittel zur Veränderung, vorzugsweise zur Vergrößerung des Verhältnisses des Umfanges an Verengungsstellen in dem Rohr zu der Querschnittsfläche, in über der Länge des Rohres zwischen den Einlassen aufweisen.

Die Bedeutung hiervon besteht darin, daß es für die Betätigung gemäß der vorerwähnten Erfindung erforderlich ist, daß das erste Strömungsmittel und das andere Strömungsmittel sich in dem Rohr über eine nennenswerte Ausdehnung nicht mischen können. Im Gehäuse , wo die Strömungsmittel annähernd gleiches spezifisches Gewicht haben und/oder das Umgebungskraftglied (z.B. Schwerkraftfeld) niedrig ist, folgt dies als selbstverständliche !Datsache, solange dort ein Durchfluß von beiden Flüssigkeiten vorhanden ist. Wenn dort eine Differenz der einzelnen spezifischen Gewichte besteht, z. B. falls ein Strömungs« mittel ein Gas und das andere eine flüssigkeit ist, oder wenn das Umgebungskraftfeld hoch ist, wie z. B. in einem System mit hoher Umlaufgeschwindigkeit, kann die gemeinsame Grenzscheide

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zwischen den Strömungsmitteln in dem Rohr unstabil werden, und es kann zu Mischungen kommen. Solche Zustände können z.B. in dem Gehäuse bestehen, wenn sich das Bohr vertikal im Erdschwerfeld befindet und eine Flüssigkeit durch den oberen Singang und ein Gas am Boden eintritt.

Im einzelnen bei Rohren mit einem großen Querschnitt, bei denen das Verhältnis des Umfanges zur fläche ein bestimmtes kritisches Verhältnis überschreitet, welches abhängig von der Oberflächenspannung ist und bei denen die flüssigkeit durch einen oberen Einlaß im Gegensatz zu einem durch den unteren Einlaß eintretenden Gas eintritt, und die Benetzung der Rohrwandungen abhängig hi on erfolgt, wird die gemeinsame Grenzscheide zwischen der Flüssigkeit und dem Gas klar ausgeprägt sein and keine bedeutende Mischung eintreten. Falls aber der Querschnitt des Rohres ansteigt bis auf das oben erwähnte 7er- ° hältnis, sinkt der krititsche Wert ab, und die Ausbildung der ^ gemeinsamen Grenzscheide wird gestört, wobei es zur Mischung

\ kommen kann, was in Übereinstimmung mit der vorerwähnten Er-

oo findung zur Unterbrechung des Betriebes der Torrichtung füh- ~* ren kann.

Die in Obereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Mittel können beide als einzelne längs des Rohres von einem Ende zum anderen bewegbare Mittel ausgebildet sein, oder es können mehrere Mittel am Verzweigungspunkt angeordnet sein, oder es können sich Mittel über die Länge des Rohres erstrekken.

In übe^ei—»"'■'—·"«<- ia*t der vorliegenden Erfindung sind bei ei-

ner ersten Ausführungsform diese Mittel als massive Metallteile ausgebildet, welche das Rohr teilweise versperren und welche längs des Rohres durch den Pluß des ersten oder anderen Strömungsmittels bewegbar sind, entsprechend der Grenzscheide zwischen den beiden Strömungsmitteln.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bestehen bei einer zweiten Ausführungsform die Mittel aus einem oder mehreren im Rohr fest angeordneten Metallteilen, tfo daß eine Anzahl der Anordnungen das Rohr zwischen den Einlassen verzweigt oder längs des Rohres kontinuierlich unterteilt, so daß das Verhältnis des ümfanges der anschließenden Bereiche in dem Rohr zu der Querschnittsfläche den kritischen Wert überschreitet, welcher unter den für die Anwandung genannten Bedingungen liegt·

Anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.

Pig. 1 zeigt als erste Ausführungsform die Vorrichtung nach der Erfindung im Teilschnitt und steht in Beziehung zu. Pig. 2 der Anmeldung B 67 480 IXb/12«,

Pig. 2 und 3 zeigen in vergrößerter Darstellung einen Längs- und Querschnitt des Rohres der Vorrichtung und beziehen sich auf die zweite Ausführungsform dieser Erfindung,

Fig. 4, 5, 6 und 7 zeigen ähnliche Teilschnitte in längs- und Querrichtung und beziehen sich auf zwei weitere Ausführungsformen des Rohres in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und die

Pig. 8 und 9 zeigen eine Seiten- und Draufsicht mehrerer in einem Kanal angeordneter Rohre.

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In den durch die Zeichnungen veranschaulichten verschiedenen Ausfiihrungsformen sind die einander entsprechenden Einzelteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei jedoch in den Pig. 2 und 3 das Bezugszeichen a hinter der Ziffer zugefügt wurde, in den fig. 4 und 5 b and in den Pig. 6 und 7 £.

Sie in Pig. 1 gezeigte Yorrichtung enthält ein strdmungsmittel-"beaufschlagtes Rohr 1, welches durch eine Wand des Kanals 2 hindurchgreift, in den eine entsprechende zweite Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit in.Richtung der Pfeile 3 fließt. Der Kanal kann z. B. das Gehäuse einer Brennkammer in einem Staustrahl triebwerk oder einem Turbotriebwerk sein, und in diesem falle ist das zweite Strömungsmittel Luft oder Abgas von einer !Eurbine. Das Ende 4 des Rohres 1 befindet sich außerhalb des Kanals und bildet den Sinlaß für ein erstes Strömungsmittel, z. B. Kraftstoff, wobei der Eintritt durch eine Maßeinrichtung 15 erfolgt. Die Maßeinheit 15 enthält eine Membran 16 mit einer zentral angeordneten Bohrung. Oberhalb dieser Bohrung ist ein Kolben 18, welcher sich in einer bestimmten Stellung zu der Membran befindet, angeordnet. Eine weitere Membran 19 mit Offnungen 20 von der gleichen Form wie die Öffnung 17 ist im Abstand von der Membran 16 angordnet. Eine derartige Maßeinrichtung besitzt eine annähernd lineare Durchflußabhängigkeit vom Druck, so daß eine gewünschte Änderung der Durchflußmenge in direkter Abhängigkeit von Druckänderungen erzielbar ist.

Das andere Ende des Rohres 1 befindet sich in dem Kanal und besitzt eine &er Kanalströmung entgegengerichtete öffnung, so daß bei dieser Stellung ein zweiter Einlaß gebildet wird, durch den las zweite Strömungsmittel vom Kanal infolge der Stauwirkung

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eintreten kann. Dieses "andere Strömungsmittel" kann auch von einer anderen Strömungsmittelquelle, z. B. von einem Kompressor, herrühren und sich von dem zweiten Strömungsmittel unterscheiden. Solche Anordnungen sind detailliert in der Anmeldung B 64 480 IXb/12e beschrieben. Das Rohr 1 ist mit einer Anzahl Auslaßöffnungen 7 versehen, welche über die Rohrlänge zwischen den Einlassen 4 and 6 verteilt sind.

Das Bohr besitzt kreisförmigen und gleichbleibenden Querschnitt In dem Rohr ist eine im Innenraum von einem zum anderen Ende freibewegliche Ku-gel 8 angeordnet. Bei Unterbrechung der Strömung des zweiten Strömungsmittels in dem Kanal 7 sinkt der Staudruck am zweiten Einlaß 6 und die Kugel 40 wird sich in Richtung des Einlasses 6 bewegen, bis sie an der fläche 9 zur Anlage kommen, sofern der Einlaß 6 unter dem Einlaß 4 angeordnet ist, wie dies Fig. 1 zeigt. Die Kugel muß genügend geringes GewißEt haben,, um den vom zweiten Strömungsmittel erzeugten Druck im erforderlichen Betriebsbereich bis zu der ent- *- ferntosten Öffnung 7 des Rohres 1 zu übertragen, wenn die ™ Strömung des ersten Strömungsmittels durch die Maßeinrichtung ^ 15 infolge Druckabsenkung unterbrochen ist. Dann strömt das co

zweite Strömungsmittel durch alle Auslaßöffnungen 7 aus. Die Kugel kann z. B. geschlossene Zellen aufweisen und aus einem expandierten Kunststoff bestehen oder offene Zellen mit einem äußeren undurchdringlichen übergang besitzen. Das Material muß selbstverständlich gegen die Strömungsmittel und gegen Temperatureinflüsse i« Arbeitsbereich beständig sein.

Bei Verwendung von Serösen als erstes Strömungsmittel und Luft als zweites kann die Kugel aas Epoxy oder Phenolharz mit einem spezifischen Gewicht von O₉7 sein.

Wenn im Betrieb ζ. Β. das erste Strömungsmittel flüssiger Kraftstoff ist, welcher durch die Meßeinrichtung 15 eintritt, wird die Kugel 8 abwärts gegen den Druck des zweiten Strömungsmittel bewegt, bis durch Ausströmen durch eine genügende Anzahl der öffnungen 7 der Druck des ersten Strömungsmittels zum Ausgleiph mit dem Staudruck von der zweiten Flüssigkeit gelangt. Die Steuerung des Druckes in Übereinstimmung der Maßvorrichtung 15 erlaubt die Auswahl der Anzahl öffnungen 7, durch die das erste Strömungsmittel in das zweite Strömungsmittel in den Kanal 2 eintritt. Die Kugel 8 trennt das erste und zweite Strömungsmittel im Rohr, abgesehen von dem Spalt zwischen den Rohrwandungen des Rohres 1 und der Kugel, welcher jedoch zur Vermeidung von Instabilitäten an der gemeinsamen Grenze side zwischen den Strömungsmitteln leicht klein genug gehalten werden kann. Die Kugel ist nicht klemmend und reib'mgsfrei bewegbar. Jegliche Kolbenformen, we* ehe eine beträchtliche fläche zur Anlage an der Wand des Rohres haben, oder jede Möglichkeit zum Klemmen, z. B. durch Kippen, würden bei den verfügbaren niedrigen Differenzdrücken unerwünscht und störend sein, da sie den Arbeitsablauf der Vorrichtung stören würden.

Die Kugel 8 befindet sich strömungsmitteldichtend in dem Sitz 9, wenn die Strömung durch die Maßeinrichtung 15 genügend stark zur Verschiebung der Kugel in diese Endlage des Rohres ist. Hierdurch wird das Austreten des ersten Strömungsmittels aus dem Eintritt 6 verhindert und die Vorrichtung befähigt, wie eine normale Zerstäuberdüse zu arbeiten.

Im Prinzip können die entsprechenden Ausgangsöffnungen 7

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durch einen Schlitz oder durch eine Reihe von kontinuierlich über die länge des Rohres zwischen den Einlassen 4 und 6 verteilter Schlitze ersetzt weafen.

Wenn das Auslaßöffnungssystem durch eine Serie im Abstand voneinander angeordneter langer Schlitzöffnungen gebildet wird, wird die Kugel 8 hei einem durch die Maßanordnung 15 und durch den Durchfluß in dem Kanal 2 gegebenen Druck im Bereich der Auslaßöffnungen stabil eingestellt, so daß ein !Teil des ersten und ein Teil des zweiten Strömungsmittels das Rohr durch die öffnungen verläßt und in der Anordnung ein Druckausgleich erfolgt. Bei Verwendung eines nicht bewegbaren Grenzseheidenstabilisierungselementes anstelle der Kugel 8 oder äquivalenter Einrichtungen, wie in der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, ist es erwünscht, daß beide gleich wirken über die mit Auslaßöffnungen oder mit Abschnitten von Auslaßöffnungen versehene länge des Rohres«

Die Pig. 2 und 3 zeigen einen Teil eines Rohres 1a, welches im Abstand voneinander große Auslaßöffnungen 7a und ein Gitter von Querabstützungen 10 im Bereich jeder Auslaßöffnung zur Unterstützung der Stabilisierung der gemeinsamen 3renzscheide in dieser Lage aufweist. Der Querschnitt des Rohres ist nicht kreisförmig, sondern in der Zeichnung tropfenförmig veranschaulicht, wo-durch eine Verbesserung der Stabilisierung durch die Vergrößerung des Verhältnisses vom Umfang zum Querschnitt bewirkt wird.

Die Pig. 4 und 5 veranschaulichen eine Ausführungsform, in der -■e Stange 11 in einem ringförmigen Rohr 1b zum Zwecke der

Vergrößerung des Verhältnisses des TJmfanges zum Querschnitt angeordnet ist. Die Stange ist bevorzugt im Bereue jeder Austrittsöffnung Tb mit radial sich erstreckenden Stiften 12 zur unterstützung der Stabilisierung der gemeinsamen Grenzscheide in dieser lege ausgerüstet.

Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen eine weitere Abwandlung, in der die in den fig. 4 und 5 gezeigte Stange durch eine Wendel 13 ersetzt ist. Die Wendel 13 hat vorzugsweise die form einer geschlossenen Spiralfeder und ist im Rohr 1c unter genügender Spannung angeordnet, so daß die einzelnen Windungen nicht zur Anlage gelangen. Diese Ausführungsform ist eben· so wie die eine Stange verwendete AuaführungsJrm nach den Pig. 4 und 5 über die gesamte Rohrlänge im Bereich der Auslaßöffnungen 7c zur Erzielung einer gleichbleibenden Stabi- ^_

lisierung der Grenzscheide geeignet. oo

In dem Kanal können auch getrennt angeordnete Rohre in _verschiedenen Richtungen vorgesehen sein. Die Pig. 8 und 9

zeigen ein Beispiel einer solchen Anordnung. In einem solchen Gehäuse, besonders wenn die Vorrichtung bei veränderten Kraftfeldwirkungen zur Anwendung gebracht wird, z. B. Beschleunigungen, wird jedes Rohr vorzugsweise mit einer Druckströmungsmeßeinrichtung entsprechend der Vorrichtung ausgerüstet, welche das Auslaßöffnungssystem unter dem Einfluß von Beschleunigungswirkungen auf das Strömungsmittel abwärts von der Meßeinrichtung weitgehend schließt und die Verteilung des flüssigkeitsverlaufes abhängig von der Beschleunigungswirkung auf das kleinste Haß beschränkt und einen Druckabfall bewirkt, so daß die Erzeugung eines Einlaßdruckes erforderlich ist, z. B. doroh eine Pomp«, welcher

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im Verhältnis ζα der Beschleunigungswirkung auf das Strömungsmittel in dem System obehalb der Meßeinrichtungen groß sein muß. In der in den ?ig. 8 und 9 gezeigten Anordnung sind vier Rohre 1d vorgesehen, welche sich radial in den durch die Wände 2d gebildeten Kanal erstrecken. Die Rohre sind innen zu einem gemeinsamen Einlaß 6d verbunden. Die aideren Enden jedes Rohres sind unmittelbar an der Außenseite der Kanalwände 2d mit Strömungsdruckmeßeinrichtungen 15d verbunden, und die Strömungsmittelzuführung zu den Meßeinrichtungen erfolgt von einem Anschluß 16 durch eine Ringleitung 17.

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Claims

PATENTANWÄLTE a. ing. H. NEGENDANK ■ dipping. H. HAUCK · di pi..- ph ys. W. SCHMITZ HAMBtTHG-MUNCHEN ZUSTELLPNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEÜEH WALL 41 TBL. 86 74 88 UND :ΐβ 41 15 Γ H 5Τ 2Υ2#Ο ΤΚΙ.ΕΟΠ. NEGEDAFiTEMT BAMBCRG ■ MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR. 23 BRISTOL SIEDELET ENGIHES LIMITED ΤΕ1·588088β TELBGR. NEOEBAFATBHT MÜNCHKN Stonebridge House, Colston Avenue Bristol 1 (England) Hamburg, 11. Juni 1968 Patentansprüche

1.\ Vorrichtung zum Einführen eines ersten Strömungsmittel in ein zweites Strömungsmitt in steuerbarem gegenseitigem Verhältnis, mit einem Hauptströmungskanal, in den wenigstens ein Zufuhrrohr mit über seine Länge verteilten Ausströmöffnungen quer zur Strömungsrichtung hineinragt,wobei das erste Strömungsmittel über ein einstellbares Ventil in das Zufuhrrohr eingeführt wird und am anderen Ende des Zufuhrrohree ein drittes Strömungsmittel zuführbar ist, nach Patent . (Patentanmeldung B 67 480), dadurch kennzeichnet, daß in dem Zufuhrrohr (1) zwischen den Enden (6,15) wenigstens ein den freien Querschnitt des Zufuhrrohres verengendes Stabilisierungselement (8,10,11,12,13) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabilisierungselement aus einem festen, das Zufuhrrohr (1) teilweise versperrenden Körper (8) besteht, der unter der Wirkung des ersten und des dritten Strömungsmittels im Zufuhrrohr (1) frei beweglich ist. 9098U6/0821

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3. Vorrichtung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet» daß am anderen Ende des Zufahrrohres (1) ein Sitz (9) für den festen Körper (8) derart angeordnet ist, daß das andere Ende (6) abgesperrt wird,wenn der Brück am einen Ende (15) den Druck am anderen Ende (6) so stark übersteigt, daß vom dritten Strömungsmittel nichts mehr aus dem Zofuhrrohr (1) austritt.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stab11isierungselement eine Kugel (8) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabilisierungselement aus einem oder mehreren massiven, im Zufuhrrohr (1) fest angeordneten Seilen (10, 11,12,13) besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Zufuhrrohr (1a) im Bereich jeder Ausströmöffnung (7a) ein als Stabilisierungselement dienendes Gritter (10) von Querdrähten angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Zufuhrrohres vom Ereisquerschnitt abweicht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Zufuhrrohr ein zentraler, sich längs erstreckender Bolzen

(11) angeordnet ist.

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9. Torrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (11) im Bereich jeder Ausströmöffnung (7b) Stabilisierangsetifte (12) trifft.

10. Torrichtang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabilisierangselement eine sich längs des Zufuhrrohres (Ic) in dessen Innerem erstreckende Wendel, vorzugsweise eine Schrattenfeder (13) ist.

11. Torrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Zufuhrrohres (1) von einer gegen die Stromrichtung weisenden Öffnung (6) gebildet ist.

12. Torrichtung nach Anspruch 11 mit einer Mehrzahl in den Hauptströmungskanal ragender Zufuhrrohre, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zufuhrrohr eine in der Nähe der Ausströmöffnungen (7) liegende Bcuck-Durchsatz-ZumeSeinrichtung (13) aufweist. '

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