DE2304525A1

DE2304525A1 - Brennstoffeinspritzdueseneinrichtung

Info

Publication number: DE2304525A1
Application number: DE2304525A
Authority: DE
Inventors: Mark Wallinger Goodinge; Bernard Raymond Sheffiled
Original assignee: PLESSEY HANDEL und INVESTMENTS AG ZUG (SCHWEIZ); Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Plessey Overseas Ltd
Priority date: 1972-02-01
Filing date: 1973-01-31
Publication date: 1973-08-16
Also published as: US3884417A; FR2326590B2; DE2644464A1; FR2326590A2

Description

PLESSEY HANDEL UlTD INVESTMENTS AG

Gartenstraße 2

6300 ZUG /Schweiz

Unser Zeichen: P 2201

Brennstoffeinspritzaüseneinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Düsen zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff in ein gasförmiges Medium.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Brennstoffeinspritzeinrichtungen und hat zum Ziel, eine verbesserte Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff in ein gasförmiges Medium zu schaffen, und die Erfindung kann beim Einspritzen von flüssigem Brennstoff in die Verbrennungsluft eines Strahltriebwerkes oder einer anderen Gasturbine oder einer Brennkraftmaschine verwendet werden.

Um eine wirksame Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes während des Einspritzens in die Verbrennungsluft sicherzustellen, beispielsweise in die Verbrennungsluft, die den Brennern eines Gasturbinentriebwerkes zugeführt wird, und zwar innerhalb eines weiten Bereiches von Brennstoffspeiseraten, wurde bereits eine Einspritzdüseneinrichtung vorgeschlagen, in der die Brennstoffeinspritzdüse in Schwingungen versetzt wurde. Diese Schwingungen hatten im allgemeinen Ultraschallfrequenzen oder ähnliche Frequenzen. Die Menge des Brennstoffes, die innerhalb

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einer gegebenen Zeitperiode eingespritzt wird, beispielsweise während einer Umdrehung der Brennkraftmaschine, wird durch die Veränderung der Länge der Einspritzzeit in einer derartigen Zeitperiode eingestellt. Im allgemeinen erfolgt die Einstellung oder Steuerung dadurch, daß die Länge der Zeitdauer Verändert wird, in der die Schwingungen zugeführt werden. Um diese Steuerung wirksam zu gestalten und um zu verhindern, daß ein unzureichend zerstäubter Brennstoff eingespritzt wird, ist es in diesem Falle erforderlich, soweit wie möglich zu verhindern, daß irgendwelcher Brennstoff während der Zeitperioden eingespritzt wird, in denen keine Schwingungen auftreten. In der britischen Patentschrift 1 I38 536 wird zu diesem Zweck vorgeschlagen, den Brennstoffdruck am Düseneinlaß gerade unter den Wert zu halten, bei dem der Brennstoff aus der Düse in den Gasstrom bei Abwesenheit von Schwingungen gelangt. In der US-PS 3 613 649 wird als eine alternative Lösung für dieses Problem vorgeschlagen, den Brennstoff durch die Düse derart einzuspritzen, daß er, wenn keine Schwingungen vorhanden sind., einen vollen Strahl bildet, der sich durch die Strömung der Verbrennungsluft hindurch erstreckt und : der von einer Sammelöffnung aufgefangen wird, von wo aus-der Brennstoff in das · Brennstoffsystem zurückgeführt wird, ohne daß der Brennstoff die Brennkammer erreicht. Wenn jedoch der Düse Schwingungen . zugeführt werden, wird der Strahl durch die Schwingungen in kleine Tröpfchen aufgebrochen, die von der Strömung der Verbrennungsluft in die Brennkammer geführt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Einrichtung zu schaffen, die in einer mehr zwangsläufigen Weise automatisch wirksam ist, um den Brennstofftransport von der Düse in die Verbrennungsluft während der Zeitperioden zu verhindern, in denen keine Schwingungen vorhanden sind, die eine wirksame Zerstäubung sicherstellen.

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Erfindungsgemäß ist die Düse einer Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung an ihrer Einlaßseite mit einem Rückschlagventil, vorzugsweise einem Kugelventil, ausgerüstet, welches derart angeordnet und ausgebildet ist, daß dieses normalerweise den Einlaß in den Düsenkanal schließt und damit den Transport von Brennstoff in die Verbrennungsluft verhindert, jedoch automatisch betätigbar ist, um eine Brennstoffströmung durch den Düsenkanal in die Verbrennungsluft zu ermöglichen und zwar während der Zeitperioden, in denen eine Zerstäubung beabsichtigt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform, in der diese Perioden diejenigen sind, in denen die Düse in Längsrichtung in Schwingungen versetzt wird, wobei diese Perioden von Zeitperioden getrennt werden, in denen keine Schwingungen auftreten, ist das Ventil derart angeordnet und ausgebildet, daß es normalerweise auf seinem Sitz durch den Brennstoff druck gehalten wird. Das Ventil kann auch durch die Wirkung einer Feder gehalten werden. Falls gewünscht, kann das Ventil alternativ auch so angeordnet- und ausgebildet sein, daß der Brennstoffdruck die Neigung hat, das Ventil zu öffnen. Das Ventil wird jedoch normalerweise in diesem Fall durch die entgegengesetzte Wirkung eines Federdruckes geschlossen gehalten. In den Zeitperioden, in denen Längsschwingungen der Düse zugeführt werden, werden Trägheitskräfte wirksam, die das Rückschlagventil öffnen, um. eine Brennstoffströmung zu ermöglichen. Alternativ kann das öffnen des Ventiles auch durch eine magnetische Einwirkung auf das Ventilelement durchgeführt werden, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer Spule, die während der gewünschten Einspritzperioden erregt wird, d. h. während der Perioden, in denen die Düse schwingt. Falls gewünscht, kann eine derartige Anordnung auch verwendet werden, um die oben genannte Trägheitswirkung zu unterstützen. Falls ein magnetischer Betrieb durchgeführt wird, besteht das Ventilelement vollständig oder teilweise aus einem magnetischen Material und ist so ausgebildet und angeordnet, daß dieses Element durch die Magnetwirkung der erregten Spule von seinem Sitz fortgezogen wird.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematisehe Axial-Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse und

Fig. 2 eine Teilschnittansicht einer abgeänderten Ausführungsform.

Es sei zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen. Mit 1 ist ein Kanal gekennzeichnet. Es kann sich hierbei um die Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine handeln, beispielsweise um eine Leitung, die von der Luftkompressorstufe zu den Brennern eines Strahltriebwerkes oder eines anderen Gasturbinentriebwerkes führt. Um flüssigen Brennstoff in die Verbrennungsluft einzuführen, von der angenommen wird, daß diese durch die Leitung 1 in Richtung des Pfeiles A hindurchgeht, ist ein zylindrischer Düsenabschnitt 2 einer Zerstäubungseinrichtung 3 so ausgebildet, daß sie sich mit ihrem Ende 2a durch eine öffnung *J in der Wandung des Kanales 1 derart hindurcherstreckt, daß einmal eine gegenseitige Abdichtung erfolgt und daß eine gegenseitige Bewegung in Längsrichtung des Abschnittes 2 erfolgen kann. Der zylindrische Abschnitt 2 bildet ein sogenanntes Horn an einer Seite des Abschnittes 5 mit großem Durchmesser eines stufenartigen Resonanzschwingungsverstärkers, wobei dieses Horn an der Seite befestigt ist, die derjenigen des Abschnittes 5 gegenüberliegt, an der ein piezoelektrisches Wandlerelement befestigt ist. Ein Abgleichkörper 7 ist in gleicher Weise an der gegenüberliegenden Seite des Wandlerelementes 6 befestigt. Die Anordnung ist derart, daß, wenn eine Wechselspannung mit einer gegebenen Ultraschallfrequenz an das piezoelektrische Element 6 über die Leitungen 9 und 10 angelegt wird, in Längsrichtung des zylindrischen Hornabschnittes 2 verlaufende Ultraschallresonanzschwingungen auf den Abschnitt 5 mit großem Durchmesser des SchwingungsVerstärkers übertragen werden. Die

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Amplitude der Schwingungen wird im Hornabschnitt 2 vergrößert, der so bemessen ist, daß die maximale Schwingungsamplitude in der Nähe des äußeren Endes 2a des Hornes erzeugt wird, welches sich in den Kanal 1 hinein erstreckt. Im zylindrischen Hornabschnitt 2 ist koaxial ein Brennstoffkanal 11 angeordnet. Um eine Sprühdüse auszubilden, ist dieser Kanal 11 in der Nähe des Endes 2a des Hornabschnittes 2 mit einem querschnittsverengten Halsabschnitt 12 ausgebildet, der in einen nach außen sich verbreiternden Konus 13 mündet. Am anderen Ende des Halsabschnittes weist der Kanal einen konischen Ventilsitz 14 auf. Dieser Ventilsitz arbeitet mit einem Kugelventil 15 zusammen, das normalerweise in Anlage gegen den Sitz 14 durch eine leichte Feder 16 gehalten wird. Unter einem geeigneten Druck stehender Brennstoff wird dem Kanal 11 über eine Querbohrung 17 zugeführt, die im Abschnitt 5 des Schwingungsverstärkers ausgebildet ist. In diesem Schwingungsverstärkerkörper ist diese Bohrung 17 in der Nähe der Schwingungsknotenzone angeordnet.

Bei der so weit beschriebenen Vorrichtung verhindert normalerweise die Anlage des Kugelventiles 15 am Sitz 14, daß Brennstoff durch die Düse 12 hindurch aus dem Kanal 11 austritt und in die Strömung-der Verbrennungsluft im Kanal 1 eingespritzt wird. Wenn jedoch eine Wechselspannung von entsprechender Ultraschallfrequenz dem piezoelektrischen Wandlerelement 6 über die Leitungen 9 und 10 zugeführt wird, erzeugt die sich ergebende Resonanzschwingung des Endabschnittes 2a des zylindrischen Hornes 2 des Resonanzschwxngungsverstärkers am Kugelventil 15 dynamische Kräfte, die dieses Kugelventil von seinem Sitz abheben. Dadurch kann Brennstoff aus dem Kanal 11 durch den Düsenkanal 12 hindurch in den Kanal 1 gelangen und dort wird, während die Ultraschallschwingungen auftreten, ein Brennstoffsprühstrahl erzeugt, der durch diese Schwingungen zerstäubt wird und innig mit der Verbrennungsluft im Kanal 1 gemischt wird. Auf diese Weise wird das gewünschte Brennstoff-Luftgemisch erzeugt, so lange die Ultraschallfrequenz'spannung dem piezoelektrischen

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Wandlerelement 6 zugeführt wird. Sobald die Zuführung dieser Ultraschallfrequenzspannung unterbrochen wird, kehrt das Kugelventil 15 auf seinen Sitz 14 zurück und zwar unter der kombinierten Wirkung des Brennstoffdruckes in der Leitung 17, 11 und der Rückführungsfeder l6. Dadurch wird der Austritt von Brennstoff in den Luftstrom im Kanal 1 verhindert und zwar in denjenigen Zeitintervallen, die zwischen den Ultraschallschwingungsimpulsen der Düse liegen.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind noch andere Einrichtungen gezeigt, mittels denen das Kugelventil* 15 von seinem Sitz 14 während der Zeitperioden abgehoben werden kann, in denen ein Einspritzen erwünscht ist, wobei diese Einrichtungen nicht auf der dynamischen Wirkung der Ultraschallschwingungen des zylindrischen Hornes 2 beruhen. Obwohl diese Einrichtungen unabhängig verwendet werden können, werden sie beim dargestellten. Ausführungsbeispiel benutzt, um die Strömungsrate, die am Kugelventil ermöglicht wird, über diejenige Strömungsrate zu -erhöhen, die erzielt wird, wenn ausschließlich die Trägheitswirkung während der Ultraschallschwingungen verwendet wird. Es ist eine Spulenwicklung 18 um den zylindrischen Hornabschnitt 2 an einer geeigneten axialen Stelle vorgesehen. Dieser zylindrische Hornabschnitt 2 besteht aus einem nicht magnetischen' Material, während das Kugelventil 15 aus einem magnetisierbaren Stahl oder aus einem anderen ferromagnetischen Material besteht. Die Spule 18 ist so angeordnet, daß das Ventil 15 durch eine magnetische Wirkung von seinem Sitz 14 abgehoben wird, wenn die Spule 18 erregt wird. Der Erregungsstrom ist vorzugsweise ein Gleichstrom, da sonst der zylindrische Abschnitt 2 aus einem Material bestehen müßte, welches eine ausreichend niedrige elektrische Leitfähigkeit hat, um einen unzulässigen Abschirmeffekt durch induzierten Strom auszuschalten. Es können geeignete Einrichtungen vorgesehen sein, um eine geeignete Steuerung der Erregungsstromimpulse für die Spule 18 durchzuführen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ausbildung derart,

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daß diese Stromimpulse mit den Impulsen des Ultraschallfrequenzstromes zusammenfallen, die dem piezoelektrischen Element 6 zugeführt werden. Dies erfolgt in der Weise, daß die Spule über einen Gleichrichter 19, 20 parallel zu den Leitungen 9, geschaltet wird, wie es durch die gestrichelten Verbindungsleitungen 9a und 10a veranschaulicht ist. Es ist andererseits klar, daß eine Kombination einer Brennstoffeinspritzdüse mit einem Kugelventil oder einem anderen Rückschlagventil am Einlaß der Düse mit einer in geeigneter Weise gesteuerten Spule zum öffnen dieses Ventiles während einer ausgewählten Zeitperiode unabhängig von irgendeiner zeitlichen -Abstimmung der Ultraschallschwingungen der Düse oder anderer Schwingungen der Düse ausgebildet sein kann. Es ist ferner klar, daß die beschriebene Spulenanordnung auf verschiedene Weise abgeändert werden kann. Es kann beispielsweise ein nicht magnetisches Ventilelement mit einem magnetischen Anker kombiniert werden, wobei dieser für eine gemeinsame Bewegung mit dem Ventilelement verbunden ist. Andererseits kann die Punktion der Kugelventilanordnung in einer Düse, die mit Ultraschall .schwingen kann, unabhängig von irgendeiner speziellen Einrichtung sein, die zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen vorgesehen ist. Obwohl die Zerstäubung des Brennstoffes, die durch die Erzeugung von Ultraschallschwingungen in der Düse hervorgerufen wird, bei niedrigen und mittleren Brennstoffspeiseraten außerordentlich wirkungsvoll ist, wurde gefunden, daß die Zerstäubung oberhalb einer bestimmten Strömungsrate für irgendeine gegebene Düsenanordnung nicht ausreichen wird. Fig. 2 zeigt eine Weiterentwicklung der Erfindung, bei der gefunden wurde, daß ganz beträchtlich der Wirkungsgrad der Zerstäubung bei derartigen· hohen Brennstoffspeiseraten verbessert wird, wobei die Vorteile der Ultraschallzerstäubung bei geringeren Raten beibehalten werden. In Fig. 2 werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1 und die Teile, die nicht dargestellt sind, können, die gleichen sein, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind. Das Horn 2 weist eine abgestufte Bohrung 11a und 11b auf. Die Bohrung 11b

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hat die Form einer Einsenkung^ in der ein Ventilsitzglied I4a den Ventilsitz l4 bildet und den Düsenkanal 12 aufweist. Ein Pfropfen 21, dessen Umfang schraubenförmige Nuten 22 aufweist, ist im axialen Abstand vom Ventilsitzglied l4a angeordnet, so daß zwischen dem Pfropfen 21 und dem Ventilsitz 14 eine Wirbelkammer 23 ausgebildet wird, in der das Kugelventil 15 beweglich angeordnet ist. Das Kugelventil wird normalerweise auf seinem Sitz 14 durch den Druck des flüssigen Brennstoffes in der Kammer 23 gehalten. Durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, daß keine Feder erforderlich ist.

Wenn durch die Aufbringung von Längsschwingungen auf die Düse flüssiger Brennstoff durch die Düse mit einer verhältnismäßig · hohen Rate hindurchgeführt wird, so wird die Verwirbelungsrate, die am Umfang der Kammer durch eine Strömung durch die schraubenförmigen Nuten 22 hindurch erzeugt wird, vergrößert, wenn der Querschnitt der Strömung derart verengt wird, daß die Strömung durch den Kanal 12 mit kleinem Durchmesser hindurchgeht und dadurch wird eine wirksame.Wirbelzerstäubung erzeugt. Es wurde gefunden, daß dieser Effekt erzielt werden kann, ohne daß zusätzliche Ventilbetätigungseinrichtungen, wie beispielsweise eine Spule, verwendet werden müssen. Der Pfropfen 21 kann im wesentlichen so ausgebildet und in seiner Stellung befestigt sein, wie es in der DOS 2 231 944 beschrieben wird.

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Claims

Patentansprüche

1. iBrennstoffeinspritzdüseneinrichtung, bei der die Brennstoffdüse s derart ausgebildet ist, daß sie Schwingungen im allgemeinen mit Ultraschallfrequenz oder ähnlichen Frequenzen durchführen kann, wobei die Menge des eingespritzten Brennstoffes innerhalb einer ■gegebenen Zeitperiode in eine Beziehung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gesetzt wird und zwar dadurch, daß diese Menge durch eine Veränderung der Einspritzzeitdauer in jeder derartigen Periode eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ' Düse an ihrer Einlaßseite mit einem Rückschlagventil ausgerüstet ist, welches derart angeordnet und ausgebildet ist, daß dieses normalerweise den Einlaß in den Düsenkanal schließt und dadurch einen Transport von Brennstoff zur Verbrennungsluft verhindert, jedoch automatisch betätigbar ist, so daß eine Brennstoffströmung durch den Düsenkanal in die Verbrennungsluft während der Zeitperioden ermöglicht wird, in denen eine Zerstäubung beabsichtigt ist.

2. Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitperioden, in denen eine Zerstäubung wirksam sein soll, diejenigen Perioden sind, in denen die Düse in ihrer Längsrichtung in Schwingungen versetzt wird, wobei " diese Zeitperioden durch Perioden voneinander getrennt werden, in denen derartige Schwingungen nicht auftreten, wobei das Ventil derart angeordnet und ausgebildet ist, daß es normalerweise federnd gegen seinen Sitz gehalten wird und wobei in den Zeitperioden, in denen der Düse Längsschwingungen zugeführt werden, Trägheitskräfte wirksam werden, die das Rückschlagventil öffnen, um eine Brennstoffströmung zu ermöglichen.

3. Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das öffnen des Ventiles durch eine magnetische Einwirkung auf das Ventilelement erfolgt.

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k. Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule vorgesehen ist, die während der gewünschten Einspritzzeitperioden erregt wird, um magnetisch auf das Ventilelement einzuwirken.

5. Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 4,' dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Kugelrückschlagventil ist.

6. Brennstoffeinspritzdüseneinrichtung nach einem der Ansprüche

■ 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil in einer Wirbelkammer angeordnet ist, welche im Brennstoffkanal ausgebildet ist und welche einen Durchmesser hat, der größer ist als der des Düsenkanales.

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