DE1500558A1 - Zerstaeuberduese fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

Zerstäuberdose für Gasturbine:

Die Erfindung bezieht sich auf Zerstäuberdrüsen '.:■■/■ flüssigkeiten, und im besonderen auf Serstäuberdrüsen, -lie in einem Treibstoffsystem für Gasturbinen verwendet -werden, m dem
der Brennstoffdurchsatz in einem großen Bereich 5 :b'

Beim Betrieb von Gasturbinen, und im besonderen bei Gasturbinen, die zum Antrieb von Luftfahrzeugen verwendet werden, ändern sich die Brennstoffmengen, die pro Zeiteinheit durchgesetzt werden, In einem sehr großen Bereich. Dieses Problem ist von außerordentlich großer Bedeutung, da die Weiterentwicklung von Gasturbinen auf Verhältnisse zwischen maximalem und minimalem Brennstoffdurchsatz von 40 : 1 oder noch höher führt.

Es sind verschiedene Arten von Zerstäuberdrusen bekannt, die dazu verwendet werden können und auch dafür verwendet worden sind, den Brennstoff für die Verbrennung in einer Gasturbine

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zu zerstäuben. Die meisten dieser Düsen, wenn nicht alle, benötigen eine Brennetoffmindestgeschwindigkeit, im den Brennstoff für die Verbrennung in der Gasturbine Ausreichend gut zerstäuben zu können. Eine weitere gemeinsame Eigenschaft der bekannten Düsen liegt darin, daß mit steigendem Brennstoffdurchsatz der RUckdruck von der Düse her, der sich dann an der Brennstoffpumpe bemerkbar macht, mit größer werddendem Brennstoff durcheatz außerordentlich stark ansteigt. Wenn man also, was angestrebt wird, mit einer Änderung des Brennstofffdurohsatsses zwischen 40 und 1 arbeitet, benötigt man ein« Brennstoffpumpe Mißerordentlich hoher Kapazität, die nicht nur aufgrund ihres Gewichtes insbesondere dffnn einen Nsfitell darstellt, wenn die Gasturbine als Triebwerk für Flugzeuge verwendet wird« sondere auch gleichzeitig eine unnötig große Energiemenge SU ihren eigenen Antrieb der Gasturbine entzieht.

Eine bekannte Möglichkeit, diese Schwierigkeit zu Überwinden, besteht in der Verwendung einer sogenannten Doppoldflee_t die zwei konzentrisch-zueinander angeordnete Düsenöffnungen aufweist. Bei niedrigem Brennstoffdurchsatz wird nur durch eine Düse zerstäubt, während bei hohem Brennstoffdurohsatm die Zerstäubung durch beide Düsen erfolgt. Solche Doppeldüsen können Jedoch nicht restlos befriedigen,da einmal die Herabsetzung des Rüokdruokes bei höherem Brennstoff du reheat a nicht ausreichend hoch ist, und da sie mechanisch so kompliziert aufgebaut sind, daft sich Schwierigkeiten durch Ihre mangelnde Zuverlässigkeit ergeben.

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Weiterhin wurde bereite vorgeschlagen, den Brennstoff vor der eigentlichen Zerstäuberdüse durch eine öffnung mit veränderlichem Querschnitt hindurchzuschicken und den Brennstoff dann In eine sogenannte Wirbelkammer einzuleiten. Von der Wirbelkammer aus gelangt der Brennstoff dann in eine Zer-Btäuberöffnung, derart, daß die Zerstäubung des Bronnstoffs durch die Zentrifugalkräfte erfolgt, die im Brennstoff durch die Verwirbelung auftreten. Diese Lösung erscheint vorteilhaft, da man einmal die notwendigen Strömungsgeschwindigkeiten erreichen kann, die zum Zerstäuben des Brennstoffs notwendig 1st, und well zum anderen der Rttokdruck klein gehalten werden kann, der sich bei höheren Brennstoffdurohsatzmongen aufbaut.

Ziel der Erfindung 1st nun eine Zerstäuberdüse für Flüssigkeiten, die einfach aufgebaut, bill mg1 zuverlässig ist. Diese Zerstäuberdüse ist von der A_rt, bei dt»? die Durchsatzmenge durch eine öffnung veränderlicher Oröße gesteuert wird. Gleichzeitig sollen die Zerstäuberelgenschaften dieser Oilm· verbessert werden, um don Rückdruok an der Brennstoffpumpe herabzusetzen, die dazu verwendet wird, Brennstoff in einen großen Bereich von Durohsatzmengen anzuliefern.

Nach der Erfindung weist eine Zerstäuberdüse für Flüssigkeiten ein Gehäuse mit einer zylindrischen Kammer auf, das einmal einen Einlaßkanal und zum anderen einen Zeratäuberöffnung auf« weist« Zn dl« zylindrische Kammer 1st sine mit einer öffnung versehene HUlse eingesetzt, die die öffnung darstellt« mit der

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dir Flüssigkeitmenge geregelt werden kann, die durch den Einlaßknnal einströmt. Diese Httloo weist·;· einen nachgiebigen Wandteil auf, der bei niedrigen Durohsatmengen in einer Stellung gehalten wird, in der der Querschnitt der Steueröffnung am kleinsten 1st. Steigt der Druck des flüssigen Brennstoffs im Kinlailkanal an, so wird der nachgiebige Wandteil der Hülse derart elastisch verbogen, daa der Querschnitt der Steueröffnung größer wird, da der Brcnnstoffdruok auf diesen elastischen Wandteil einwirkt«

Xm folgenden «oll die Erfindung in verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Flg. 1 re igt schematisch das Brennstoffsystem einer Oasturbine,

Fig. 2 1st «in Längsschnitt längs der Linie 2-2 in Flg. 4 durch dls Brennstoffdüse aus Flg. 1·

Flg. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Düse aus Fig, 2« Flg. 4 ist ein Schnitt längs der Linien 4-4 aus FIg» 2. Flg. 3 ist eine Teilansicht der Düse aus FIg · S und se igt

die Wirkung des nachgiebigen Wandteils, der eine Steueröffnung

Von veränderlichem Querschnitt bedingt·

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In dor Flg. 1 sind sonematisch die Hauptbestandteil© sine· Brennstoffsystem* für «in· Ga*turbine dargestellt» in dem die Erfindung verwendet «erden kann· Eine Gasturbine IO weist eino.. Brennkammer 12 auf, in der Brennstoff durch eine Anz&hl vou Düsen 14 zerstäubt wird (es 1st nur eine Düfte 14 geastgt). Der Brennstoff wird den Düsen 14 über eine Leitung 10 von Hauptbrennstoffregler 18 zugeführt. Der Hauptbrennatoffregler 18 erhttlt seiner»«Its ?iaa brennstoff über ein© Leitung 20 voa oincr Brennstoffpumpe 22» dorot Antrieb»· weIX* meukaclsoh mit dem Rotor der Gasturbine 10 verbunden 1st und von ihr angetrieben wird. Der Uauptbreaneνyiiregler kann Ir^ ende in© Eegelvorrlchtung »eln₍dle so ps^raiesiiort ist» daß sie Brennstoff an die Düse alt «in«r Menge *ύ:.,,^ί_ die vom Piloten a ing« »teilt wird, anderersetc» die vo*& rilotan geforderte Brennstoffmenge aufgrund versobicdener Bai*i*beparamcter dor Qanturbi&ü modifiziert. Aufgrund bestisugit»r neuartiger Merkmale der Serstftuberdüse 14, ule »nsohlic-Bend noch erörtert werden, wird der Brennstoff auch in einen sehr großen Durchaatab»reich nerstäubt, «Ihrend die RUokdruok· bei größeren DurohsAtznengen herabgesotat werden. Daher sind di· In der Brennstoffpunpo 22 auftretenden liaxlaaldruek· niedriger und da»it dile Lebensdauer der Pumpe linger.

Xn den Fig. S-S ist die Brennstoffdüse 14 la einzelnen dar» gestellt» Sin Oehluse 24 weist einen Xingangskanai 20 auf„ der

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nit der Brennstoffleitung 16 (Flg. 1) mittels eines Fittings (nicht gezeigt) verbunden 1st, der in eine Gewindebohrung de« Gehäuses 24 eingeschraubt let. Dor Eingangskanal 26 verläuft tangential zu einer Bohrung 28, die ein Teil elrar Eingangsöffnung 36 bildet. Eine drehbare Hülse 30, die in der Flg. 3 für eich alIoIn dargestellt ist, ist in die Bohrung 23 Im Pnßsiiz eingesetzt. Die HUlso 30 weist eine öffnung VA auf, deren eine Seite durch das freie Ende einer Blattfeder 34. gebildet 1st, die mit der Hülse zusammen aus eines Stück Mrgemteilt 1st« Hierzu sind In die Hülsenwandung Sehlitze 33 eingeschnitten, deren Breite so klein wie möglich gehalten 1st. Die UxUnUm hierfür werden später noch erörtert. Die Hülse 30 1st derart in der Bohrung 28 singesetst, dall die Blattfeder M die ÄuBg&ngsöffnung 36 des Blnlaßkanals 26 abdeckt. Sin» Tvί\\>£-it 33, dl« am Gehäuse 24 hindurch die Bolzen 40 versohraubt ist* hält die Hülse 30 In dieser gewünaohten Winkellage fest. Di« Kappe 38 bildet zusammen mit dem uehttuse 24 und der Hülse 30 sine &y!ladrlsaheWirbe!kammer 44. Das Gehäuse 24 und die Kappe 38 sind mittels eines O-Kinges 42 gegeneinander abgedichtet. Xn einem konisch ausgebildeten Teil der Wirbelkammer ist elm Zeretäuberöffnung 43 mit einem verhältnismäßig großen Querschnitt gebildet, so daß Brennstoff aus der Düse 14 in das Innere der Brennkammer 12 aus Fig. 1 gelangen kann.

Wenn kein Brennstoff fließt, so deckt die Blattfeder 34 der Hülse 30 die Ausgangeöffnung 30 normalerweise ab, wie es in

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dor Fig. 2 dargestellt 1st. Wird dagegen dom Einlaßkanal vom Hauptbrennstoffregler 18 von Fig. 1 her, Brennstoff zugeführt, so baut sich auf der Blattfeder 34 ein Druck auf, der die Blattfeder 'in das Innere des Gehäuses 24 hinoinbiegt, wie es durch gestrichelte Linin in den Fig. 4 und 8 dargestellt ist. Dann kann Brennstoff durch die öffnung 32 hindurchfließen. Dor Rnnd der öffnung 32 1st bei 37 abgeschrägt, so daß die StrömungVerhältnisse für den Bronnstoff günstiger worden, wenn er tangential in die Wirbelkammer 44 einströmt. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wirkt das freie Ende der Blattfeder mit der Oberfläche der Bohrung 28 und den Seiten der öffnung 32 zusammen, so daß sich eine rechteckige öffnung ergibt, deren Fläche der Durchbiegung der Blattfeder 34 direkt proportional ist. Der Druckabfall an dieser rechteckigen Öffnung erhöht die Strömungsgeschwindigkeit in duasor öffnung, und da die Strömung in tangentlaler Richtung in die Wirbelkammer 44 eingespritzt wird, wird der Brennstoff in eine Kreisbahn gezwungen. Die Brennstoffteliehen beschreiben im Inneren der Hülse ι 30 eino spiralförmige Bahn, während ihre Geschwindigkeit erhöht wird, wenn sie den konisch ausgebildeten Teil des Gehäuses 34 entlanglaufen. Der Brennstoff geht dann durch die Zcrstäuberöffnung 46 hindurch, dsren Querschnitt groß genug ist, um den Druckabfall an der Zerstäuberöffnung vernachlässigen zu können. Wenn der Brennstoff aus dor Zerstäuberöffnung 40 ausgetreten ist, word er durch die Zentrifugalkräfte in Fon eines hohlen Kegel· zerstäubt. Das liegt daran, daß der Brenn··

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«toff In dor Wirbelkammer in ten« i ν horumgewlrbelt wurde. Diese Art der Zerstäubung führt auf eine sehr gleichmäßig« Zerstäubung, und Außerdem l«t auch die Vorteilung, in der der Brennstoff ze ret «übt wird, Innerhalb eine« großen Oerelohc« von verschiedenen Durcheatonengen stabil, sofern nur die StrönungiRccfichwindiRkcit des Brennstoffs einen Mindestwert nicht unterschreitet· Darüber hinaus bedingt die große Flache der Zerstfluboröffnung 40, daß Korrosionen und fthnlioheSrscheinungen dieser öffnung, die durch den Brennstoff auftreten nur von geringem Einfluß sind.

Es wurde bereits bemerkt, dtß bum guten Zerstäuben der Brennstoff In der Wirbelkammer eine bestinnte Mindestgeschwindigkeit aufweisen muß. Diese Mindestgeschwindigkeit laut sich nach bekannten empirischen Formeln bereohnen. Der Druckabfall an der rechteckigen öffnung in der ^ü0»e 14 und der dadurch bedingte Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit genügt jedoch, üb den Brennstoff auch belehr niedrigen Durchstamengen ausreichend gut xu zerstäuben. '

',renn der Brennstoffdurcusatas im Einlaßkanal 20 ansteigt, wird die Balttfeder 34 welter nach innen gebogen, A der Druck auf die Blattfeder ansteigt. Die Durchlaßfläche der rechteckigen öffnung wird dadurch größer. Durch das fortschreitende Grttßerwordcn der Fläche u*t Steueröffnung wird das Anwachsen sines Rückdruckea im Slnlaßkanal 26 bei höheren Durohsateaengen auf ein Uindeatmttß herabgesetzt, da die gewünschte Erhöhung der

Durchsataaengen in swelfaoher Hinsicht vom Druck abhängt· Einmal

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ftndcrt eich die Durchaatzmonce Als Funktion dre Dijjrckes etwa nit der Quadratwurzel «tue dem uruok, sum anderen Jedoch linear Mit de» Druck, da die Flüche der Steueröffnung fcledlrekte Funktion dee Druckes größer wird.

Die rechteckig« ßteuo'-rftffnunß nXt veränderlicher Flach« wirkt daher auf Wf⁶IPrId Weite. Eiairosl rutt die Öffnung eisen Druckabfall hervor, der die Strftrcunßeot&schwlntilgkeit dee Brenn« Gtoffβ erhöht, eo daß der Brcnnetoff auf eine kreisförwice I

Bahn In die Wirbelkammer gezwungen wird und Ruch bet aiedrl~ grn Durchsat25s€ (Jeu z^rstflubt. Öle ich*« it iff wird aber auch der Rückdruck hinter der Düse bei großen Durchaatasntmg^s vermindert» Daduroh vornlndcrt eich auch der Maxlreal.'iruak^den die Drcnnetoffptunpo 22 auozuhalten hat, oo dai* euch die Lebeiie- <;auer der Brennetoffpuapc erhöht wird. Die«· Riprenf*<?h«ft der Düne erlaubt es, Brennstoff Iq einen großen Bereich *on Durch» satsmonnon gleichförmig eu EerstÄuben; α ic Duitshaatzmen^cn können hler in der Größonordntinß swistien 40 und 1 schwanken* Weiterhin sieht man, daß durch die rechteckige Fläche der Steueröffnung ein verhttltniRWitßig dünner bandförmiger Brennstoffotrahl tangential in die Wlrhclkammor 44 gespritzt wird, BoI höheren Durohamtzaennen nimmt dicDicko dieses bandfOrmlfrcn Strahls einfach au. Diese Art» das gewünschte Durchwirbeln des Brennstoffs auszulösen, hnt sich als besonders günstig für die Zerstäubung von Brennstoff bei stark schwankenden Durcheatsncnncn herausgestellt·

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Hs hängt von der Federkonstante der Blattfeder 34 ab, wie die Grö ο der rechteckigen Steueröffnung alt anwachsender Durchoatzmeng© größer wird. Mit einer verhältnismäßig barton Feder findet bei größerer Durcheat»enge eine bOboro Drosselung statt» während eine weicher· Feder auf entsprechend niedrigere Drosacl-unr.cn führt. Der Zusanmenhang zwischen dem JHSr.x.druck an der Düdo und dor Durobaatznenge durch die Dtloc kann durch enteprcchcndo Auewahl einer Blattfeder eingestellt worden «die eine bo stimmte Lange und eine best lunte Breite aufweist· Da nun die Materialien, die Üblicherweise aur Kostellung von Blattfedern verwendet werden, in ihren elastischen Eigenschilf ton nur wenig verschieden sind, hängen die Federeigcnschaften dor Blattfeder hauptfitfchlich von den Abmessungen dor Blattfeder ab. Dae let besonder« dann ron Vorteil» vcnn zahlreiche Düsen alt dea gleichen Verhalten hergeettllt werden sollen. Um bei der Herstellung solcher üU&on die entsprechend engen Toleranzen einhalten bu können, oo daß Düsen entstehen, deren Eigenschaften übereinstimmen, können dl« Üblichen bekannten Herstellungsverfahren angewendet werden»

Bei niedrigen Durohsatzncnaen oder auch beim Einschalten der Gasturbine kann der Druckabfall über der Steueröffnung

bis zu einen gewiesen Grade dadurch eingestellt werden, daO man die OrOOe der Fläche findort, alt dor die Blattfeder 34 die

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Austrittsöffnung 3ö abdeckt. Diese «nderungcin ändern das Dic{;omoitont für die Feder 34, das bei einem «ohr kleinen Brennstoffdurchsatζ durch den Druck ausgeübt wird, dor durch die öffnung 30 hindurch auf die Blattfeder wirkt* Wenn die Auatrittsöffnung 30 über einen βrotteren Teil abgedeckt wird, 1st am Dinla.Kanal 26 ein gröterer Druck notwendig, ua dl« Blattfeder ua einen bestimmten Betrag abzubiegen. Demzufolge 1st auch der Druckabfall an der rechteckigen Steueröffnung | größer, eo daß auch die Strömungsgeschwindigkeiten Inder Steueröffnung höher sind. Wenn die Blattfeder 34 bei einer Vergrößerung der Durcusatzmcngo winter nach innen abgebogen wird, wirkt dor Druck schließlich gleichförmig auf die gsno· Länge der Blattfeder 34 ein. Wlrddann die Durchsatzmenge noch we Ito r or höht, so sieht »an, da!) sich dann das Biegemoment für die feder 34 nicht mehr wcsctt -.i-ch ändert, Ee ergibt sich dann eine verh&ltnlBmäßlßkonstanto Fcdcrstttrke, deren £influd auf den Zusammenhang zwischen dem Rückdruck an der Dttee und den Strömungseigenechaftcn vernachlässigt werden kann· Es 1st zweckmäßig, teilnahmen bu treffen, durch die die Hülse

für in der Bohrung 28 gedreht werden kann, um eine Zuerstäubung auch bei sehr niedrigen Durchsatzmengen einen bestimmten Druckabfall an der Steueröffnung «u erhalten.

Das gleiche E₁^benis kann auch erreicht werden, wenn nan dl« Blattfeder 34 nach außen biegt, so daU al« alt einer bestimmten vorgegebenen Kraft gegen die Oberflache der Bohrung 28 drückt.

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Xu diesen Falle reuO der Druok la KlnlaOkanal 26 erhöht worden» un die Blattfeder 34 au Anfang nnah innen abzubiegen* Dl«wir crhtihte Druck führt muf einen »»rotoren Druckabfall an d*r rechteckigen Steueröffnung* Diese ^orspannunn: der Blattfeder 34 geiren die Wandung der Bohrung 28 kann gelindert werden, um einen fi*n« bentimmt^n Di-uokabfall an der rrchteeklß^n Stcwr uffmmi? hervorzurufen, der für die richtige Zeretftubung bei fTcrlnftnten DurohnAtKmenr^n erforderlich 1st· DIfsee Vorspannen drr Blattfeder 34 hat auf die Federeigennohaften selbst rinrn vernaahlftMiliirbfltr kleinen Elnflnfl und brelntrtlohtlfft die BetrlebfielflreniHshAften der Düee flberhaupt nicht·

Die Blafachheltf Kit der dlebenehrlHtone Düse hernreetellt und auf beotlnrote KiRcnnchaften hin geeicht und juetlert werden kann» fübrt auf erhebliche Koateneenkungen für dl· Düse.

wurde bereit· bemerkt, d«n dl« rechteckige ßteuerOffnuns der DU«· 14 durch da« Zusammenwirken d«r Blattfeder .14, der Boh-20 und den ßelt«n der Öffnung 39 zustande kommt« Dl· «a-

Auffble^ung der Feder Π4 ist so gewftMt, diö die Selten der Öffnung 32 niemals fr^ifrcn^ben werden· In den me inten FKllcn ist die gesnmte Aunlenkitng der Feder 34 sJemllch klein, und ihr Kinflun auf die ßtrönungevertellunpr des Brennstoffs in der tflrbelkaiimrr 44 kann Iraner wornaehlKsalfft werden· Da die Auslenkunge» der Feder so klein sind, kdnn<*n dl· dadurch

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entstehcndon mechanischen Spannungen innerhalb der Feder so klein gehalten «orden, daß Bio noch weit unterhalb der PlIoO-odcr der Streckgrenze deo Federmaterlals bleiben. Dadurch wird zumindest für die normale Lebenserwartung der Düse «in· hohe Zuverlässigkeit erzielt*

Die Schlitze 35, dieboi dor Herstellung der Feder 34 in dl· Hülse 30 eingeschnitten worden, sindso schmal wie möglich, wie es bereits bemerkt wurde. Dadurch will man ein Durchtr·- i'-n von Brennstoff durch dieSohlitze hindurch unterbinden, wan die Strömunncsvertellung beeinträchtigen würde. Die Restströmungκ die durch die Sohlitzo 38 noch hindurchgeht, lot verp.liehen mit der Kauptotrömung des Brennstoffs klein. Da die Schlitze 39 so BChmnl sind, und da dicDlattfeder 34 niemalß die Seiten dor öffnung 32 freigeben, tritt der größte Tril dos Brennstoffe, wenn nicht der ganze Brennstoff, tangential in die Wlrbelkaniraor ©in. Da die Länge der rechteckigen Steueröffnung, die zum Teil von der Blattfeder 34 fjebildot 1st, FiroR gtgen die Breite der rechteckigen Steueröffnung ist, strömt der Brennstoff in die Wirbelkammer in Form eino» verhältnismäßig dünnen und flachen Bande« ein, so daß die Strömung sehr stabil verläuft und die Zerstäubung verbessert 1st.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Zerstäuberdrüse zur Verwendung in Gasturbinen, wo der Brennstoff durchsatz mindestens zwischen 40 : 1 schwanken kann, mit einer zylindrischen Wirbelkammer, die über eine als längliches Rechteck ausgebildete Steueröffnung mit einem Einlaßkanal verbunden ist und in eine Zerstäuberdrüse mündet, wobei eine Seite der Steueröffnung von einer Blattfeder gebildet ist, die vom Druck des Brennstoffes abhiegbar ist, so daß die Steueröffnung mit steigendem Brennstoffdr : ;k größer· wird, und der Brennstoff der Wirbelkammer tangential als dünne«* Band zugeführt wird, dadurch gekennzeic h η e t, daß die Wirbelkammer als eine in das Düsengehäuse einge tz c Hülse (30) ausgebildet ist, in deren Wand eine federnde Zunge (34) vorgesehen ist, durch die der Einlaßkanal (26) verdeckt ist.

2, Zri'stäuberdrüse nach Anspruch 1, dadurch gekennz 3 i c h net, daß die Zunge (34) gegen den Ausgang des Ein-'u Is mit einer bestimmten Kraft vorgespannt ist.

3, Zeistäuberdrüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand der Hülse eine recht eckige Öffnung (32) vorgesehen ist, deren eine Längsseite vom freien Ende der Zunge (34) gebildet ist.

4. ZerMäuberdrüse nach Anspruch 3, dadurch gekenn-ζ e ί c h η e t, daß die Längsseite (37) der Hülseöffnung, die dem sntloti Zungenende gegenüberliegt, nach innen abgeschrär' t.

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5. Zerstäuberdrüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bie 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse und die Zunge aus einem Stück hergestellt sind.

3. Zerstäuberdrüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse innerhalb des Düsengehäuses drehbar ist, so daß einstellbar ist, in wie weit der Einlaßkanal von der Zunge abgedeckt ist.

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