DE2544361A1 - FUEL INJECTOR - Google Patents
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Description
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CORPORATION Cleveland, Ohio (V.ot.i.)CORPORATION Cleveland, Ohio (V.ot.i.)
KraftstoffeinspritzdüseFuel injector
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse.The invention relates to a fuel injection nozzle.
Es ist bekannt, zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, beispielsweise zum Erzeugen eines Kraftstoff-Sprühregens für die Verbrennung in Gasturbinen, schnell strömende Luft zu verwenden. Dabei werden je nach den Eigenschaften des flüssigen Kraftstoffes, den Ergebnisjen, die hinsichtlich der Feinheit der Zerstäubung, der Apt des Eindringens und der Verteilung der Sprührsgenwolke erwünscht sind, und dem Vorhandensein von Druckluft zur Durchführung der Zerstäubung die verschiedenartigsten Verfahren angewendet.It is known to atomize liquids, for example to create a fuel spray for combustion in gas turbines to use fast flowing air. Depending on the properties of the liquid fuel, the results of those regarding the fineness of the Atomization, the apt of penetration and distribution the spray cloud are desired, and the presence of compressed air to carry out the atomization the most varied of methods are used.
Jenn beispielsweise eine eigene Druckluftquelle vorhanden ist, kann man eine Einrichtung verwenden, wie sie in der UGA-Patentschrift 3 474 970 angegeben ist und in der schnell strömende Luft gegen die eine Seite eines kegelmanteiförmigen KraftstoffStrahls geblasen wird, der aus einer üblichen .opinnkamner- oder Simplex-Düse austritt, in welcher der Kraftstoff auf einem Hohlkegelmantel strömt« Dieses Prinzip kann jedoch nur auf relativ kleine Kraftstoffdurchflüsse angewendet werden, und die Düse arbeitet wie ein üblicher Druckzerstäuber für Kraftstoffe bei hohen Durchflüssen.Jenn, for example, has her own compressed air source one can use a device such as that disclosed in UGA patent specification 3,474,970 and in the rapid air flowing against one side of a cone shaped Fuel jet is blown from a usual .opinnkamner or Simplex nozzle in which the Fuel flows on a hollow cone jacket. «However, this principle can only be applied to relatively small fuel flows can be applied, and the nozzle works like a normal pressure atomizer for fuels at high flow rates.
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Bei einer Flugzeug-Gasturbine ist im allgemeinen keine eigene Druckluftquelle verwendet worden, sondern wird zum Zerstäuben des Kraftstoffs vorzugsweise die Luft verwendet, die von dem Verdichter des Triebwerks in die Brennkammer abgegeben wird. Dieses Verfahren ist in der US-PS 3 283 502 angegeben, in der beschrieben wird, dass der Kraftstoff auf einer Fläche zu einem dünnen Film ausgebreitet und der flächige Kraftstoffstrahl beim Verlassen des Landes dieser Flache zerstäubt wird. In der US-PS 3 530 667 ist ebenfalls angegeben, dass der Kraftstoff auf einer relativ großen Flache ausgebreitet wM und das die zerstäubend wirkende Luft gegen beide Seiten des den Rand der Fläche verlassenden, flächigen KraftstoffStrahls geblasen wird. In diesen Kraftstoffdüsen wird daher ein Vorfilm gebildet. In beiden Fällen kann die Zerstäubung durch das Verhalten des Flüssigkeitsfilms auf der Metalloberfläche beeinträchtigt werden, weil die Größe des erzeugten Tropfens im allgemeinen von der Dicke des Kraftstoftrfilms an der Stelle seiner Auflösung abhängt. Jurch folgende Ursachen kann die Dicke des Kraftstoffilms verändert und dadurch die Zerstäubung beeinträchtigt werden:In an aircraft gas turbine, there is generally none own compressed air source has been used, but is for atomizing the fuel, preferably the air used from the compressor of the engine in the Combustion chamber is released. This method is set forth in U.S. Patent 3,283,502 which describes that the fuel spreads on a surface to form a thin film and the flat fuel jet when leaving of the land of this area is atomized. In the US PS 3 530 667 is also indicated that the fuel spread over a relatively large area wM and that the atomizing air against both sides of the flat fuel jet leaving the edge of the surface is blown. A pre-film is therefore formed in these fuel nozzles. In both cases, the atomization by the behavior of the liquid film on the metal surface are affected because the size of the droplet generated generally depends on the thickness of the fuel film at the point of its dissolution depends. The thickness of the fuel film may change due to the following causes and thereby the atomization is impaired:
(a) Der auf die Viskosität der Flüssigkeit zurückzuführende V/iderstand gegen ihre Bewegung auf der Fläche führt zu einer Herabsetzung der Geschwindigkeit und daher zum Verdicken des Films. Diese \7irkunfe tritt natürlich besonders stark bei langen Strömungswegen und bei Kraftstoffen von hoher Viskosität auf und führt im allgemeinen zur Bildung von größeren Tropfen.(a) The one due to the viscosity of the liquid V / resistance to their movement on the surface leads to a reduction in speed and therefore to Thicken the film. These effects are of course particularly pronounced with long flow paths and with fuels of high viscosity and generally leads to the formation of larger droplets.
(b) -,Yenn der Kraftstoff in diskreten Sinzelwahlen zugeführt und daher nicht gleichmäßig über die Fläche verteilt wird, sind örtliche Bereiche größerer Dicke vorhanden, in denen sich große Tropfen bilden.(b) -, Yenn the fuel is supplied in discrete individual selections and is therefore not evenly distributed over the area, there are local areas of greater thickness, in which large drops form.
(c) heim die Luft mit dem auf der Oberfläche befindlichen Film in Berührung kommt, können Oberflächenwellen er-(c) When the air comes into contact with the film on the surface, surface waves can
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zeugt werden, die ebenfalls zu örtlichen Verdickungen des Films führenοwhich also lead to local thickenings of the Lead filmsο
(d) Äenn die mit dem Kraftstoff in Berührung stehende Luft eine unregelmäßige Geschwindigkeitsverteilung hat, "beispielsweise infolge von Strudeln stromabwärts von drallerzeugenden Leitblechen, führt dies zu örtlichen Verdickungen in dem Film.(d) The air in contact with the fuel is one has irregular speed distribution, "for example as a result of vortices downstream of swirl-generating Baffles, this leads to local thickenings in the film.
Man erkennt daher, dass die angegebenen Verfahren für die Zerstäubung von Kraftstoff verschiedene Nachteile haben, die unter zahlreichen Bedingungen zu einer unbefriedigenden Zerstäubung des Kraftstoffes führen können.It can therefore be seen that the specified methods for atomization of fuel have various disadvantages resulting in unsatisfactory atomization under numerous conditions of the fuel.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Kraftstoffdüse, die zum Zerstäuben des Kraftstoffs besser befähigt ist als die früheren Düsen und bei der vor der Zerstäubung kein Film gebildet wird und die Zufuhr des Kraftstoffes in den zu zerstäubenden, flächigen Kraftstoffstrahl verbessert wird.The object of the invention is to provide a Kr ftstoffdüse that is better capable of atomizing the fuel than the previous nozzle and no film is formed at the front of the atomization, and the supply of the fuel is improved over the to be atomized, planar fuel jet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Düsenkörperanordnung vorgesehen ist, die in ihrem Innern einen Kraftstoffkanal begrenzt, der an seinem stromabwärtigen Ende eine Austrittsöffnung besitzt und der eine Wirbelkammer bildet, in der dem durch den Kanal strömenden Kraftstoff ein Drall erteilt wird, so dass er in Form eines kegelmantelförmigen Strahls aus der Austrittsöffnung austritt, und dass in dem Kraftstoffkanal ein zentraler Luftkanal vorgesehen ist, der mit einem Drallerzeuger versehen ist, welcher der durch den Luftkanal strömenden Luft einen Drall erteilt, wooei der Luftkanal stromaufwärts von der Austrittsöffnung des Kraftstoffkanals endet und an seinem stromabwärtigen Ende einen kleineren Durchmesser hat als die Austrittsöffnung des Kraftstoff kanals.According to the invention, this object is achieved in that a nozzle body arrangement is provided which, in its interior delimits a fuel channel, which at its downstream End has an outlet opening and which forms a swirl chamber in which the fuel flowing through the channel enters Twist is granted so that it emerges from the outlet opening in the form of a cone-shaped jet, and that in a central air duct is provided for the fuel duct, which is provided with a swirl generator, which gives the air flowing through the air duct a swirl, wooei the Air duct ends upstream of the outlet opening of the fuel duct and one at its downstream end Has a smaller diameter than the outlet opening of the fuel channel.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäSen x^raftstoffdüse anhhnd der beigefügten Zeichnung be-Embodiments of an inventive x ^ fuel nozzle according to the attached drawing
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schrieben. In dieser zeigtwrote. In this shows
Pig. 1 sehematisch im Längsschnitt eine Gasturbine mit einer Kraftstoffdüse,Pig. 1 schematically in longitudinal section a gas turbine with a Fuel nozzle,
Fig. 2 in größerem Maßstab im Lungsschnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffdüse,Fig. 2 shows an embodiment on a larger scale in a lung section the fuel nozzle according to the invention,
Fig. 3 in noch größerem Maßstab als Teildarstellung im Längsschnitt den Kopf der Düse gemäß Fig. 2,Fig. 3 on an even larger scale as a partial representation in Longitudinal section of the head of the nozzle according to FIG. 2,
Fig. 4 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der Kraftstoffdüse undFig. 4 in longitudinal section a second embodiment of the Fuel nozzle and
Fig. 5 eilen Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4-.Fig. 5 is a cross-sectional view taken along line 5-5 in Fig. 4-.
In Fig. 1 ist schematisch im Längsschnitt eine Gasturbine 1 gezeigt. Diese Figur dient zur Erläuterung des allgemeinen Funktionsprinzips einer Kraftstoffdüse 2 zum Zerstäuben von Kraftstoff mit Hilfe von Druckluft. In einem Triebwerksverdichter 3 verdichtete Luft strömt durch die Brennkammer 4·, die ein perforiertes Flammrohr 5 enthält, Dieses dient zur Steuerung der Verbrennung des Kraftstoffes und der Verdünnung der Verbrennungsprodukte.In Fig. 1, a gas turbine 1 is shown schematically in longitudinal section. This figure is used to explain the general Functional principle of a fuel nozzle 2 for atomizing fuel with the aid of compressed air. In an engine compressor 3 compressed air flows through the combustion chamber 4 · which contains a perforated flame tube 5, this serves to control the combustion of the fuel and the dilution of the combustion products.
Aus der Düse 2 wird Kraftstoff in das Flammrohr 5 gespritzt, in dem der Kraftstoff mittels der Zündeinrichtung 6 gezündet wird. Das erhitzte Gas expandiert und durchströmt die Turbine 7· Da die Kraftstoffdüse 2 in dem Flammrohr 5 montiert ist, sind die Luftkanäle der Kraftstoffdüse im Wesentlichen derselben statischen Luftdruckdifferenz unterworfen wie die Löcher 8 in dem Flammrohr 5· Daher steht schnell strömende Luft zum Zerstäuben des Kraftstoffes zur Verfügung. Im Betrieb der Turbine beträgt die Luftgeschwindigkeit beispielsweise etwa 91»5 m/sek., ge nach der Dichte der Luft in der Brennkammer 4, was einem Luftdruck im Be-Fuel is injected from the nozzle 2 into the flame tube 5, in which the fuel is ignited by means of the ignition device 6 will. The heated gas expands and flows through the turbine 7 · Since the fuel nozzle 2 is mounted in the flame tube 5 is, the air passages of the fuel nozzle are essentially subject to the same static air pressure difference as the holes 8 in the flame tube 5 · Therefore stands quickly flowing air is available for atomizing the fuel. When the turbine is in operation, the air speed is for example about 91 »5 m / sec., ge according to the density the air in the combustion chamber 4, which corresponds to an air pressure in the
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reich von etwa 0,0176 at bis 0,703 at entspricht. Beim Anfahren des Triebwerks isVdie Luftgeschwindigkeit geringer, doch erreicht sie einen Wert von etwa 30,5 m/sek. gewöhnlich schon vor der Zündung. Die zum Zerstäuben des Kraftstoffes verwendete Luft vermischt sich auch mit dem Kraftstoff-Sprühregen und nimmt an der Verbrennungsreaktion teil. Daher kann sie dazu verwendet werden, den Sprühregen in jener Richtung zu führen, die zum Mischen mit Zusatzluft zwecks Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Verbrennung optimal ist.range from about 0.0176 at to 0.703 at. At the Starting the engine is the air speed is lower, but it reaches a value of about 30.5 m / sec. usually before the ignition. The one used to atomize the The air used in fuel also mixes with the fuel spray and takes part in the combustion reaction part. Therefore, it can be used to direct the spray in the direction required to mix with additional air for the purpose of achieving a high degree of combustion efficiency is optimal.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Der Einbau der Düse geht aus der B"ig. 1 hervor. Die Düse 2 besitzt einen Halter 10, in dessen Schaft ein Kanal 11 gebohrt ist, in dem der von einer Kraftstoffpumpe und einem Gteuerungssystem (nicht gezeigt) kommende Kraftstoff geführt wird. Der Halter 10 trägt den Düsenkopf. Dieser umfaßt einen äußeren Drallerzeuger 12 für Luft, einen Drallerzeuger 13 für Kraftstoff, einen inneren Drallerzeuger 14- für Luft und ein Deckband 15· Der äußere Drallerzeuger 12 für Luft trägt drallerzeugende Leitbleche 16 und ist auf den Halter 10 aufgeschraubt und mittels einer Umfangsschweißnaht festgelegt, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Man kann das Deckband durch Hartlöten derart an den Äußenrändern der drallerzeugenden Leitbleche 16 anbringen, duss es einen ringförmigen äußeren Luftkanal 17 begrenzt. Der Drallerzeuger 13 für Kraftstoff hat einen Rand- oder Flanschteil 18, der mit einer Anzahl von drallerzeugenden Schlitzen 19 ausgebildet ist, die unter einem .vinkel zu der Achse des Drallerzeugers für Kraftstoff angeordnet sind, so dass zusammen mit dem Drallerzeuger für Luft eine Jirbe!kammer 20 für den Kraftstoff gebildet wird. ..enn der Umfang des Randteils 18 in den Innenkonus des Drallerzeuger 12 für Luft bis zum Anschlag eingeführt worden ist, wird der Drallerzeuger 13 für Kraftstoff an seinem stromaufwärtigen Ende an den Halter 10 bei 21 ange-Fig. 2 shows an embodiment of the invention. Of the Installation of the nozzle is shown in the B "ig. 1. The nozzle 2 has a holder 10, in the shaft of which a channel 11 is drilled, in which the of a fuel pump and a control system (not shown) coming fuel to be led. The holder 10 carries the nozzle head. This includes an outer swirl generator 12 for air, a swirl generator 13 for fuel, an inner swirl generator 14- for air and a shroud 15 · the outer one Swirl generator 12 for air carries swirl-generating baffles 16 and is screwed onto the holder 10 and by means of a Perimeter weld set as shown in the drawing. The shroud can be attached to the outer edges of the swirl-generating baffles 16 by brazing in such a way that duss it delimits an annular outer air duct 17. The swirl generator 13 for fuel has a Edge or flange part 18, which is formed with a number of swirl-generating slots 19, which under a .angle to the axis of the swirl generator for fuel are arranged so that, together with the swirl generator for air, a Jirbe! chamber 20 is formed for the fuel will. ..enn the circumference of the edge part 18 in the inner cone of the swirl generator 12 introduced for air up to the stop has been, the swirl generator 13 for fuel is on its upstream end attached to holder 10 at 21
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flanscht und durch eine Umfangsschweißnaht mit ihm verbunden. Mit 22 sind Abstandhalterippen bezeichnet. Zwischen den Drallerzeugern 12 und 13 ist daher ein Ringraum 23 vorhanden, der mit dem gebohrten Kanal 11 in Verbindung steht und zum Zuführen von Kraftstoff in die Wirbelkammer 20 dient.flanges and connected to it by a circumferential weld. With 22 spacer ribs are designated. An annular space 23 is therefore present between the swirl generators 12 and 13, communicating with the drilled channel 11 and for supplying fuel into the swirl chamber 20 serves.
Der innerö· Drallerzeuger 14· für Luft kann im Innern des Drallerzeugers 13 für Kraftstoff in dem erweiterten stromwärtigen Teil des zentralen Luftkanals 24- durch Hartlöten festgelegt sein. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist der zentrale Luftkanal 24- so ausgebildet, dass er stromabwärts von A1 eine kleinere Strömungsquerschnittsfläche hat als der Drallerzeuger 14· für Luft, wobei das Verhältnis etwa 90% beträgt. Durch dieses Merkmal wird der Vorteil erzielt, dass stromabwärts von jedem Leitblech keine Strudel auftreten und dass in dem zentralen Luftkanal eine glatte Luftströmung erzielt wird, die in der Querrichtung ein solches Geschwindigkeitsprofil hat, dass an den Wänden eine hohe Luftgeschwindigkeit erhalten wird. Dasselbe 1-rinzip kommt in dem äußeren drallerzeugenden Luftkanal 17 zur Anwendung, der an einer vereingten Stelle Ao einen Querschnitt besitzt, der kleiner ist als der wirksame Strömungsquerschnitt der drallerzeugenden Leitblechanordnung 16, wobei daa verhältnis wieder etwa 90% beträgt. Die drallerzeugenden Leitbleche 16 und 25 in dem äußeren und dem inneren Kanal sind so ausgebildet, dass die Luft aus der Düse 2 in der gewünschten ■i-iichtung ausströmt, wobei der Kegelwinkel des kegelmantelformigen Luftstrahls beispielsweise 80 betragen kann. Es versteht sich, dass der Winkel und die Drehrichtun^· des Dralles im Hinblick auf die Ausbildung der Brennkammer 4-gewählt werden und keine kritischen Auslegungsmerkmale der Kraftstoffdüse 2 sind.The innerö · · swirler 14 for air can be of D r allerzeugers 13 defined in the interior of fuel in the extended stromwärtigen part of the central air passage 24 by brazing. According to a feature of the invention, the central air duct 24- is designed in such a way that it has a smaller flow cross-sectional area downstream of A1 than the swirl generator 14 * for air, the ratio being approximately 90%. This feature has the advantage that there are no vortices downstream of each baffle and that a smooth air flow is achieved in the central air duct which has a velocity profile in the transverse direction such that a high air velocity is obtained on the walls. The same 1-principle is used in the outer swirl-generating air duct 17, which at a united point Ao has a cross-section that is smaller than the effective flow cross-section of the swirl-generating baffle arrangement 16, the ratio again being about 90%. The swirl-generating baffles 16 and 25 in the outer and inner channels are designed so that the air flows out of the nozzle 2 in the desired direction, the cone angle of the conical air jet being 80, for example. It goes without saying that the angle and the direction of rotation of the twist are selected with regard to the design of the combustion chamber 4 and are not critical design features of the fuel nozzle 2.
Der Luftkanal 24- hat an seinem stromabwärtigen Ende einen kleineren Durchmesser als die Austrittsöffnung des dieThe air duct 24- has one at its downstream end smaller diameter than the outlet opening of the
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Kammer 20 enthaltenden Kraftstoffkanals. Die Austrittsöffnung de« Kanals 24 endet stromaufwärts von der Austritts öffnung der Kammer 20 des Kraftstoffkanals. Man erkennt ferner, dass sich die Austrittsöffnung des Kanals 17 stromabwärts von der Austrittsöffnung des Kraftstoffkanals befindet und einen größeren Durchmesser hat als die Austrittsöffnung des Kraftstoffkanals.Chamber 20 containing fuel channel. The outlet opening of the channel 24 ends upstream of the outlet opening of the chamber 20 of the fuel channel. One recognises Furthermore, the outlet opening of the channel 17 downstream of the outlet opening of the fuel channel is located and has a larger diameter than the outlet opening of the fuel channel.
Kraftstoffdüse 2 sitzt passend in einer öffnung 26 des Flammrohrs 5· Dieses kann mit v/eiteren Einrichtungen versehen sein, beispielsweise mit Drallerzeugern für Luft oder mit Kühlluftschlitzen. Diese Einrichtungen sind in Fig. 2 nicht dargestellt, weil sie keine Teile der vorliegenden Erfindung sind.Fuel nozzle 2 is seated appropriately in an opening 26 of flame tube 5. This can be provided with further devices be, for example with swirl generators for air or with cooling air slots. These facilities are in Fig. 2 is not shown because it is not part of the present invention.
Die Wirkungsweise der Kraftstoffdüse 2 kann am besten anhand der Fig. 3 erläutert werden, in der ein Teil des Düsenkopfes stark vergrößert dargestellt ist, wobei die kritischen .oislegungsmerkmale der Deutlichkeit halber etwas übertrieben sind. Man erkennt deutlich, dass die Wirbelkammer 20 für Kraftstoff dazu dient, einen rotierenden FlüSöigkeitskörper zu erzeugen, dessen Innenfläche G mit einem Luftkern in Berührung steht. An dieser Fläche 0 ißt der statische Druck der Flüssigkeit gleich dem statischen Druck der Luft. Der rotierende Flüssigkeitskörper hat die -eigenschaften eines freien .Wirbels, so dass seine Tangentialgeschwindigkeit an dem Luftkern im Verhältnis R-./Rp höher ist als an dem größten Durchmesser der Wirbelkammer 20 für Kraftstoff. Diese Beschleunigung der Flüssigkeit wirkt im Sinne eines Ausgleichs von Geschwindigkeitsunterschieden am Austritt der Wirbelkammer 20. Dieser Austritt ist von dem kreisförmigen Randteil des Drallerzeugers 12 für Luft mit dem Radius RQ begrenzt. Die Differenz R -R^ zwischen den Radien bestimmt die Dicke des Flüssigkeitsfilms F. Es ist bekannt, dass bei einer gegebenen Flüssigkeit und bei gegebenen Abmessungen der 7/irbe!kammer 20The mode of operation of the fuel nozzle 2 can best be explained with reference to FIG. 3, in which part of the nozzle head is shown greatly enlarged, the critical .oislegungsmerkmale being somewhat exaggerated for the sake of clarity. It can be clearly seen that the swirl chamber 20 for fuel serves to generate a rotating liquid body, the inner surface G of which is in contact with an air core. At this surface 0 the static pressure of the liquid is equal to the static pressure of the air. The rotating body of liquid has the properties of a free vortex, so that its tangential velocity on the air core in the ratio R-./Rp is higher than on the largest diameter of the vortex chamber 20 for fuel. This acceleration of the liquid acts to compensate for speed differences at the outlet of the swirl chamber 20. This outlet is limited by the circular edge part of the swirl generator 12 for air with the radius R Q. The difference R -R ^ between the radii determines the thickness of the liquid film F. It is known that for a given liquid and given dimensions of the chamber 20
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die Dicke des Films im wesentlichen unabhängig ist von dem Durchfluß der Flüssigkeit. Bei einer Wahl von geeigneten Abmessungen- kann man einen sehr dünnen Film erzielen. Beispielsweise beträgt bei R = etwa 12,7 mm und Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen mit einer Viskosität von unter 12 Oentistoke die Filmdicke etwa 0,127 τητη* Dieser Film hat beim Verlassen der Drall-vV'irbelkammer 20 eine beträchtliche Tangentialgeschwindigkeit, so dass er einen sich erweiternden, kegelmantelförmigen Strahl bildet, der in Fig. 3 mit F bezeichnet ist.the thickness of the film is essentially independent of the flow rate of the liquid. With a choice of suitable Dimensions- you can get a very thin film. For example, when R = approximately 12.7 mm and hydrocarbon fuels having a viscosity of less than 12 oentistokes the film thickness is about 0.127 τητη * This film has when leaving the swirl / vortex chamber 20 has a considerable tangential velocity, so that it forms an expanding, cone-shaped beam which is designated by F in FIG. 3.
Jetzt sei zunächst der aus dem Kanal 24 in Fig. 2 austretende Luftstrom betrachtet. Die äußerste Schicht des Luftstroms verläßt den stromabwärtigen Rand des Drallerzeugers 13 in Form eines sich erweiternden Kegels, dessen Winkel in Fig. 3 durch den Pfeil V1 angedeutet und durch eine geeignete Auslegung so gewählt ist, dass diese Luftschicht auf den Kraftstoffilm im wesentlichen an dem Rand des Drallerzeugers auftrifft, d.h. an der Stelle, an welcher der Film durch die Metalloberfläche des Drallerzeugers 12 praktisch nicht beeinflußt wird. Der vorstehend bei der Besprechung des Standes der Technik erwähnte Vorfilm wird daher nicht gebildet.Now let us first consider the air flow exiting channel 24 in FIG. 2. The outermost layer of the air flow leaves the downstream edge of the swirl generator 13 in the form of an expanding cone whose angle is indicated in Fig. 3 by the arrow V 1 and selected by a suitable design so that this air layer to the fuel film substantially at the The edge of the swirl generator strikes, ie at the point at which the film is practically not influenced by the metal surface of the swirl generator 12. Therefore, the pre-film mentioned above in the discussion of the prior art is not formed.
Der Luftstrom in dem äußeren Kanal 17 is1/&.llgemein durch den einwärtsgerichteten Pfeil Vp angedeutet. Die durch den Pfeil Vp angedeutete, innerste Luftschicht trifft auf den flächigen Kraftstoffstrahl auf, wenn dieser den Rand des Drallerzeugers 12 verläßt. Dabei beträgt der Winkel zwischen der Strömungsrichtung der Luft und der Oberfläche des flächigen Kraftstoffstrahle annähernd 90°. Ee versteht sich jedoch, dass die Luft in dem äußeren Luftkanal 17 infolge der drallerzeugenden Leitbleche 16 eine solche tangentiale Geschwindigkeitskomponente hat, dass die Luft stromabwärts von der Düse allgemein längs eines sich erweiternden Kegelmantels strömt, der durch den PfeilThe air flow in the outer duct 17 is generally through indicated by the inward arrow Vp. The through the The innermost layer of air indicated by arrow Vp meets the flat fuel jet when it hits the edge of the Swirl generator 12 leaves. The angle between the direction of flow of the air and the surface is here of the planar fuel jet approximately 90 °. Ee understands however, that the air in the outer air duct 17 as a result of the swirl-generating baffles 16 a has such a tangential velocity component that the air downstream of the nozzle is generally along a widening cone mantle that flows through the arrow
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V^ dargestellt ist, der im wesentlichen dieselbe Richtung hat wie der Pfeil V-,. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass man einen Sprühregen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften erzielt, wenn die Düse 2 so ausgebildet ist, dass der innere Luftstrom mit einem etwas kleineren wirksamen Kegelwinkel ausströmt als der äußere Luftstrom.V ^ is shown, which is essentially the same direction has like the arrow V- ,. In practice it has been shown that a spray with particularly advantageous properties is achieved if the nozzle 2 is designed in such a way that that the inner air flow with a slightly smaller effective Cone angle flows out as the outer airflow.
Die Figo 3 ist eine im wesentlichen zweidimensionale Darstellung eines dreidimensionalen Vorganges. Da äba? die Drallkomponente oder die tangentiale Komponente der Geschwindigkeit nur das Verhältnis der ',/inkel beeinflußt, unter denen sich die Luftströme der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms nähern, ist diese Komponente für den Zerstäubungsvorgang prinzipiell nicht wichtig. 3s ist bekannt, dass das Zerstäuben eineü flächigen Flüssigkeitsstrahls, d.h., seine auflösung in Tropfen, nicht im üblichen Sinne von dem Auftreffen von Luft auf Flüssigkeit abhängig ist. Diese Auflösung ist prinzipiell durch die Instabilität des flächigen Flüssigkeitsstroms bedingt und durch dessen Neigung, unter der Einwirkung der Helativströmung der Luft Wellen zu bilden. Diese bellen führen zum Auftreten von örtlichen Luftdruckunterschieden, welche trachten, die Amplituden der Wellen auf einen kritischen wert zu erhöhen, bei dem der flächige Film in Fäden zerfällt, die ihrerseits in l'ropfen zerfallen. In der erfindungsgemäßen Düse wird ein flächiger Kraftstoffstrahl von sehr geringer Dicke erzeugt, der sehr dünn ist und an seinem Anfangspunkt eine konstante Dicke hat. Dieser Strom wird dann auf beiden leiten der iSinwirkung strömender Luft unterworfen, die auf beiden Seiten mit annähernd gleichen Geschwindigkeiten strömt und frei ist von örtlichen Geschwindigkeitsunterschieden, die durch Strudel hervorgerufen werden, die auf drallerzeugende Leitbleche oder andere Hindernisse zurückzuführen sind.Fig. 3 is an essentially two-dimensional representation a three-dimensional process. There aba? the swirl component or the tangential component of the speed only affects the ratio of ', / inkel, among which If the air currents approach the surface of the liquid film, this component is responsible for the atomization process not important in principle. 3s is known to be atomizing a flat jet of liquid, i.e. its dissolution into drops, not in the usual sense of the impact depends on air for liquid. This resolution is principally due to the instability of the flat Liquid flow conditioned and by its inclination, under the action of the helative flow of air waves to build. These barks lead to the occurrence of local air pressure differences, which tend to increase the amplitudes of the waves to a critical value, at which the flat film breaks up into threads, which in turn become the drops disintegrate. In the nozzle according to the invention is creates a planar fuel jet of very small thickness, which is very thin and at its starting point has a constant thickness. This stream is then subjected to the action of flowing air on both lines, which flows at approximately the same speed on both sides and is free of local speed differences caused by vortices, which can be traced back to swirl-generating baffles or other obstacles.
Ss wurde festgestellt, dass für eine gute Zerstäubung dieIt was found that for good atomization the
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Massen der strömenden Luft und des strömenden Kraftstoffs annähernd gleich sein sollen, d.h., dass das Massenverhältnis der strömenden Luft zu dem strömenden Kraftstoff etwa gleich 1 sein soll. Ferner tuit es sich gezeigt, dass die Zerstäubung schnell schlechter wird, wem dieses Verhältnis kleiner ist als etwa 0,5» und dass ein Verhältnis von mehr als etwa 4 nur zu einer geringen Verbesserung führt. Das Mengenverhältnis zwischen den auf beiden Seiten des flächigen KraftstoffStrahls vorhandenen Strömen der Zerstäubungsluft ist ebenfalls nicht kritisch, doch werden optimale Ergebnisse erzielt, wenn das Massenverhältnis des äußeren Luftstroms zu dem inne-iren Luftstrom zwischen 1 und 2 liegt.The masses of the flowing air and the flowing fuel should be approximately the same, i.e. the mass ratio of the flowing air to the flowing fuel should be approximately equal to 1. It has also been shown that the atomization quickly deteriorates if this ratio is less than about 0.5 »and that a ratio greater than about 4 results in little improvement. The quantitative ratio between the on both sides of the planar fuel jet existing streams of Atomizing air is not critical either, but will Optimal results are achieved when the mass ratio of the external air flow to the internal air flow is between 1 and 2 lies.
Vorstehend wurde angedeutet, das,.; die Menge der Zerstäubungsluft einem konstanten Bruchteil der Gesamtmenge der in die Brennkammer eingeleiteten Luft entspricht. Dagegen ist das Verhältnis der Kraftstoffmenge zu der Gesamtluftmenge von der Belastung des Triebwerkes abhängig. Daraus geht her-vor, dass auch das Verhältnis der Zerstäubungsluftmenge zu der Kraftstoffmenge von dem Betriebszustand des Triebwerkes abhängig ist. Daher ist im allgemeinen das Verhältnis der Zerstäubungsluftmenge zu der Kraftstoffmenge beim Anfahren des Triebwerkes größer, was den Vorteil hat, dass der Kraftstoff während der kritischen Zünd- und Anfahrphase besser zerstäubt wird. Infolge dieser Wirkung und der Vermeidung der vorstehend angeführten Wachteile, die auf die Bildung eines Vorfilms zurückzuführen sind, ist es bei der Verwendung der hier beschriebenen Kraftstoffdüse 2 nicht erforderlich, ζψη. Anfahren eine eigene Anfahrdüse vorzusehen, wie dies gemäß der US-PS 3 283 502 erforderlich ist.It was indicated above that,.; the amount of atomizing air corresponds to a constant fraction of the total amount of air introduced into the combustion chamber. In contrast, the ratio of the amount of fuel to the total amount of air depends on the load on the engine. It follows from this that the ratio of the amount of atomizing air to the amount of fuel is also dependent on the operating state of the engine. Therefore, the ratio of the amount of atomizing air to the amount of fuel when starting the engine is greater, which has the advantage that the fuel is better atomized during the critical ignition and start-up phase. As a result of this effect and the avoidance of the disadvantages mentioned above, which can be attributed to the formation of a preliminary film, it is not necessary when using the fuel nozzle 2 described here, ζψη. A separate start-up nozzle should be provided for start-up, as is required according to US Pat. No. 3,283,502.
xiine weitere A.usfuhrungsform der Erfindung ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. In diesem Fall wird die Kraftstoff düse 30 derart in die Brennkammer eingesetzt, dass in dem inneren Luftkanal 24 keine drallerzeugenden axialenAnother embodiment of the invention is shown in the figures 4 and 5 shown. In this case, the fuel nozzle 30 is inserted into the combustion chamber in such a way that in the inner air duct 24 no axial swirl-generating
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Leitbleche 25 verwendet werden können, weil die Luft in aen Düsenkopf nicht gemäß Fig. 2 an dessen stromaufwärtigen Ende, sondern von der Seite eintreten muß. In Fig. 4 sind jene Teile, die Teilen gemäß Fig. 2 entsprechen, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Man erkennt, dass das Deckband 15 und der äußere Drallerzeuger 12 für Luft den in Fig. 2 gezeigten Teilen entsprechen. Der in Figo mit 13 bezeichnete Drallerzeuger für Kraftstoff ist jetzt mit dem in Fig. 2 mit 10 bezeichneten Halter zu einem Teil 31 vereinigt. Die Funktion des in Fig. 2 mit 14 bezeichneten, inneren Drallerzeugers für Luft wird durch Schlitze 32 erzielt, die gemäß Fig. 5 in dem Körper 31 ausgebildet sind. Der Kraftstoff wird durch gebohrte Kanäle 33 zugeführt, welche die ^eitbleche 34 durchsetzen. Der Innenkanal ist an seinem stromaufwärtigen Ende nicht erweitert, weil man den durch die Schlitze 32 gegebenen Strömungsquerschnitt für die Luft ohne weiteres größer machen kann als die Querschnittsflä he A-, . Bei der Verwendung von Leitblechen 34, die an der Bohrung 24 im wesentlichen in scharfkantigen Rändern enden, ist die Eintrittsquerschnittsfläche gleich A-, , wenn die Länge L gleiche 1/4 des Durchmessers des Kanals 24 ist. Wenn daher L gleich dem 0^3-fachen dieses Durchmessers ist, beträgt das Verhältnis von A-, zu der Eintrittsquerschnittsfläche 83/ό. Bei dieser Ausführungsform erzeugen die drallerzeugenden Leitbleche im wesentlichen keine Strudel.Baffles 25 can be used because the air in a nozzle head is not shown in FIG. 2 at its upstream End, but must enter from the side. In Fig. 4 those parts which correspond to parts according to Fig. 2 are denoted by the same reference numerals. You can see that the shroud 15 and the outer swirl generator 12 for air correspond to the parts shown in FIG. The swirl generator for fuel designated in FIG. 13 is now combined with the holder designated 10 in FIG. 2 to form a part 31. The function of the designated in Fig. 2 with 14, inner swirl generator for air is achieved by slots 32 which are formed according to FIG. 5 in the body 31 are. The fuel is supplied through drilled channels 33 which penetrate the baffles 34. Of the The inner channel is not widened at its upstream end, because the flow cross-section given by the slots 32 is for the air can easily make larger than the cross-sectional area A-,. When using The inlet cross-sectional area is the guide plates 34, which essentially end in sharp-edged edges at the bore 24 equal to A-, if the length L is equal to 1/4 of the diameter of the channel 24 is. Therefore, if L is equal to 0 ^ 3 times this diameter, the ratio of A- is to the inlet cross-sectional area 83 / ό. In this embodiment, the swirl-generating baffles produce essentially no swirls.
Bei der Verwendung der vorstehend beschriebenen Kraftstoffdüsen werden die Ursachen vermieden, die bei den früher vorgeschlagenen Düsen zu einer Verschlechterung der Zerstäubung dienen und wird zum Unterschied von diesen älteren Düsen der vorstehend erwähnte Vorfilm nicht erzeugt. Mit den hier beschriebenen Kraftstoffdüsen wird auch gewährleistet, dass der Kraftstoff dem flächigen Kraftstoff strahl gleichmäßig zugeführt wird, der durch die Wirkung der schnellWhen using the fuel nozzles described above the causes which lead to a deterioration in atomization with the nozzles proposed earlier are avoided serve and, in contrast to these older nozzles, the pre-film mentioned above is not produced. With The fuel nozzles described here are also guaranteed that the fuel is fed evenly to the planar fuel jet, which by the action of the fast
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strömenden Luft zerstäubt wird. Dabei werden Schwankungen in der Dicke des flächigen KraftstoffStrahls und unerwünschte Schwankungen in der Geschwindigkeit der Zerstäubungsluft vermieden.flowing air is atomized. Fluctuations in the thickness of the planar fuel jet and undesirable Fluctuations in the speed of the atomizing air avoided.
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