DE2545270A1

DE2545270A1 - SUPER SOUND JET

Info

Publication number: DE2545270A1
Application number: DE19752545270
Authority: DE
Inventors: Daniel Borgnat
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1975-10-09
Publication date: 1976-04-22
Also published as: GB1495192A; LU73583A1; JPS5164640A; BE834365A; AU8539675A; IT1043075B; BR7506695A; FR2288282A1; FR2288282B1

Description

DR.-ING. EUGEN MAiF.R DR.-ING. ECKHARD WOLFDR.-ING. EUGEN MAiF.R DR.-ING. ECKHARD WOLF

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS DRESDNER BANK ASDRESDNER BANK AS

7 STUTTSART 1, PISCHEKSTR. 19 POSTSCHECK ST3T. 25200-7O97 STUTTSART 1, PISCHEKSTR. 19 POSTSCHECK ST3T. 25200-7O9

A 11 820 i - kt 17.9.1975A 11 820 i - kt 9/17/1975

INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE FRANCAISE 185, rue President Roosevelt, Saint Germain-en-Laye,INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE FRANCAISE 185, rue President Roosevelt, Saint Germain-en-Laye,

(Frankreich)(France)

ÜberschalldüseSupersonic nozzle

Die Erfindung betrifft eine Überschalldüse, die zum Einblasen eines aus einem Brennstoff und einem Verbrennungsmittel bestehenden Gemisches in einen Schachtofen sowie zum Entzünden dieses Gemisches dient und zur Ausbildung einer Stoßwelle einen konvergierenden Teil, einen Schallhals und einen divergierenden Teil aufweist.The invention relates to a supersonic nozzle which is used for blowing a mixture consisting of a fuel and a combustion agent into a shaft furnace and for Igniting this mixture is used and a converging part, a sound neck and to form a shock wave has a diverging part.

Bei Düsen dieser Art wird das Verbrennungsmittel beschleunigt, bis .es am Übergang zu dem divergierenden Teil der Düse Überschallgeschwindigkeit erreicht, wobei sich in demWith nozzles of this type, the combustion agent is accelerated until it reaches the transition to the diverging part of the nozzle Reached supersonic speed, being in the

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divergierenden Teil eine Stoßwelle ausbildet, die in dem Gasstrom eine plötzliche Druckerhöhung zur Folge hat. Hinter der Stelle der Ausbildung der Stoßwelle befindet sich ein Bereich, in dem Unterschallgeschwindigkeit herrscht, Man benützt diesen Schereffekt, der eine Folge des durch die Stoßwelle hervorgerufenen schroffen Drucksprungs ist, um eine Zerstäubung und Vermischung des oberhalb der Stoßwelle eingeblasenen bzw. eingespritzten Brennstoffs zu bewirken. Die Zerstäubung des Brennstoffs und seine Verteilung in dem Verbrennungsmittel ist eine äußerst feine, was zu einer wesentlich verbesserten Verbrennung führt, so daß die in einen Hochofen üblicherweise eingeblasene Brennstoffmenge beträchtlich erhöht werden kann.diverging part forms a shock wave, which results in a sudden increase in pressure in the gas flow. Behind the point of formation of the shock wave there is an area in which there is subsonic speed, This shear effect is used, which is a consequence of the sudden pressure jump caused by the shock wave, the atomization and mixing of the fuel blown or injected above the shock wave to effect. The atomization of the fuel and its distribution in the combustion medium is extreme fine, which leads to a significantly improved combustion, so that the one usually blown into a blast furnace Fuel amount can be increased considerably.

Bei so ausgebildeten Düsen ist man bestrebt, eine gezielte eindimensionale Überschallgeschwindigkeitsströmung zu verwirklichen, die es erlaubt, die Ausbildung einer Stoßwelle in einem ganz bestimmten Querschnitt der Düse hervorzurufen. Bei einem solchen Betrieb der Düse nimmt die Gasströmung im Prinzip den ganzen Querschnitt des divergierenden Teils der Düse ein, wobei sich an der Wandung dieses Teils eine sehr dünne Grenzschicht ausbildet, in welcher die Strömungsgeschwindigkeit des Gases sehr gering ist. Eine solche gezielte Strömung setzt jedoch in gleicher Weise voraus, daß die Strömung sich von der Wandung desWith nozzles designed in this way, the aim is to achieve a targeted one-dimensional supersonic flow realize that allows to cause the formation of a shock wave in a very specific cross section of the nozzle. With such an operation of the nozzle, the gas flow in principle takes up the entire cross-section of the diverging one Part of the nozzle, with a very thin boundary layer forming on the wall of this part, in which the flow rate of the gas is very low. Such a targeted flow, however, continues in the same way Predict that the current will move away from the wall of the

ß09817/0867 ~ ³ ~ ß09817 / 0867 ~ ³ ~

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divergierenden Teils nicht ablöst.diverging part does not peel off.

Die Praxis zeigt jedoch, daß auch bei solchen, einen divergierenden und einen konvergierenden Teil aufweisenden Düsen, deren divergierender Teil so ausgebildet ist, daß die vorgenannte gewünschte Strömung erzielt wird, die sich ausbildende Stoßwelle nicht der theoretisch vorhersehbaren Idealform entspricht und daß es schwierig ist, die Ausbildung einer geraden Stoßwelle zu erreichen. Die Stoßwelle weist in Wirklichkeit eine verhältnismäßig gestörte Form auf und die Grenzschicht, die eigentlich gleichmäßig ausgebildet sein und nur in geringer Dicke an der Wandung anliegen sollte, nimmt, wie man festgestellt hat, in ihrer Dicke in Richtung auf das Ende des divergierenden Teils zu. Hieraus resultiert eine Geschwindigkeitsverminderung des Gases im Bereich der Wandung und eine entsprechende Geschwindigkeitszunahme im achsennahen Bereich der Gasströmung .Practice shows, however, that even with such, a diverging and a converging part having Nozzles, the diverging part of which is designed so that the aforementioned desired flow is achieved forming shock wave does not correspond to the theoretically foreseeable ideal shape and that it is difficult to train to achieve a straight shock wave. The shock wave actually has a relatively disturbed one Form on and the boundary layer, which should actually be formed uniformly and only in a small thickness on the wall should be applied, it has been found to increase in thickness towards the end of the diverging portion. This results in a reduction in the speed of the Gas in the area of the wall and a corresponding increase in speed in the area of the gas flow close to the axis .

Obwohl, was das Verhältnis an eingeblasenem Brennstoff betrifft, die Ergebnisse, die mit diesen Düsenerzielt wurden, diejenigen Ergebnisse übertrafen, die mit herkömmlichen Anordnungen erzielt wurden, so darf doch nicht übersehen werden, daß die Arbeitsweise dem tatsächlich angestrebten Vorgang einer gleichgerichteten Strömung nur unvollkommen entsprach. Darüberhinaus wirkt sich dieseAlthough, as for the ratio of injected fuel, the results obtained with these nozzles exceeded those results that were achieved with conventional arrangements, it must not be overlooked that the mode of operation is the actually aimed process of a rectified flow only imperfectly corresponded. In addition, this affects

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Arbeitsweise auf die Düse nachteilig aus, da sie zu örtliehen rückwärts gerichteten Zirkulationsströ'mungen führen kann, und da sie infolge der Geschwindigkeitsverminderung in einem wesentlichen Querschnitt der Gasströmung das Eindringen von geschmolzenem Metall in den divergierenden Teil der Düse begünstigt, was die Lebensdauer einer Düse wesentlich herabsetzt. Der Austausch einer Düse bei einem im Betrieb befindlichen Hochofen stellt jedoch eine Verringerung seiner Produktion dar, insbesondere wenn ein solcher Austausch zu häufig erfolgt. Zu diesem Produktionsausfall kommen noch die keineswegs geringen Kosten der Düsen selbst hinzu.Functioning on the nozzle is disadvantageous because it is too local Can lead backward circulation currents, and because they as a result of the reduction in speed in a substantial cross section of the gas flow the penetration of molten metal into the diverging Part of the nozzle favors what the life of a nozzle significantly reduces. However, replacing a nozzle on a blast furnace in operation represents a reduction its production, especially if such an exchange occurs too frequently. In addition to this loss of production, there are the by no means low costs of Nozzles themselves added.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Düse der vorgenannten Art weiterzuentwxckeln und zu vervollkommnen, um zu Profilen zu gelangen, die die Gasströmung verbessern und zu einer noch weiteren Annäherung an die angestrebte vollkommen gleichgerichtete Strömung führen, um auf diese Weise möglichst große Mengen vom im Verbrennungsmittel fein verteiltem Brennstoff in einen Schachtofen einblasen zu können und gleichzeitig die Lebensdauer einer Düse gegenüber herkömmlichen Düsen derselben Art zu verlängern.The invention is therefore based on the object of a nozzle of the aforesaid kind to be further developed and perfected in order to arrive at profiles which the gas flow improve and lead to an even closer approximation to the desired, completely unidirectional flow, In this way, the largest possible amounts of in the combustion agent to be able to blow finely divided fuel into a shaft furnace and at the same time extend the service life a nozzle compared to conventional nozzles of the same type.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei Düsen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der divergierendeThis object is achieved according to the invention with nozzles of the type mentioned in that the diverging

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Teil mindestens ein im wesentlichen zylindrisches Teilstück aufweist. Eine vorteilhafte Ausbildungsform einer solchen Düse bsteht darin, daß das im wesentlichen zylindrische Teilstück sich an den divergierenden Teil der Düse anschließt und das in den Ofen hineinragende Endteil der Düse bildet. Das im wesentlichen zylindrische Teilstück, kann aber auch mit Vorteil zwischen zwei divergierenden Abschnitten angeordnet sein, deren erster sich an den Schallhals anschließt und deren zweiter das Ende der Düse bildet. Der Zusammenbau der einzelnen Teile der Düse erfolgt in vorteilhafter Weise in der Art, daß die Randzonen der einzelnen Düsenteile durch gekrümmte, ineinander übergehende Flächen gebildet werden, wobei der Krümmungsradius der Düsenwandung im Bereich der ineinander übergehenden Randzonen im Längsschnitt vorteilhafterweise im Mittel etwa das Dreifache des Düsendurchmessers an der betreffenden Verbindungsstelle beträgt.Part having at least one substantially cylindrical portion. An advantageous embodiment of a Such a nozzle consists in the fact that the substantially cylindrical section is attached to the diverging part of the nozzle and forms the end part of the nozzle that projects into the furnace. The essentially cylindrical Part, but can also be arranged with advantage between two diverging sections, the first connects to the sonic neck and the second forms the end of the nozzle. The assembly of the individual parts the nozzle takes place in an advantageous manner in such a way that the edge zones of the individual nozzle parts by curved, surfaces merging into one another are formed, the radius of curvature of the nozzle wall in the area of the one into the other Overlying edge zones in the longitudinal section advantageously on average approximately three times the nozzle diameter at the relevant liaison office.

Ein weiterer Vorteil kann schließlich darin bestehen, daß die Wandung des konvergierenden Teils der Düse durch eine Rotationsfläche gebildet wird, deren Erzeugende eine gekrümmte Linie ist, um auf diese Weise einer Gefahr der Ablösung der Grenzschicht zu begegnen, die an der Stelle der Verbindung des konvergierenden Teils mit dem Schallhals auftreten könnte, an der die Wandung üblicherweiseAnother advantage can finally be that the wall of the converging part of the nozzle by a Surface of revolution is formed, the generatrix of which is a curved line, in order to avoid danger of this To counter detachment of the boundary layer at the point of connection of the converging part with the sonic neck could occur on which the wall usually

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eJLne nach innen vorspringende Winkelkante aufweist.eJLne inwardly protruding angular edge.

Unter einem im wesentlichen zylindrischen Teilstück sollen sowohl ein Körper mit einem exakt zylindrischen Hohlraum als auch solche Hohlkörper verstanden werden, deren Innenwand durch eine geradlinige Erzeugende gebildet wird, die mit der Düsenachse einen geringen Winkel bildet. Diese Zwischenstücke können somit eine geringfügige Konvergenz oder eine geringfügige Divergenz in Strömungsrichtung aufweisen.An essentially cylindrical section should include both a body with an exactly cylindrical cavity as well as those hollow bodies are understood, the inner wall of which is formed by a rectilinear generatrix, the forms a small angle with the nozzle axis. These spacers can thus have a slight convergence or have a slight divergence in the direction of flow.

Die Bedeutung der Erfindung liegt somit insbesondere in der Ausbildung der Innenflächen der Düse, deren Ziel es ist, eine Verdickung der gegen die Wandung des divergierenden Teils anliegenden Grenzschicht zu vermeiden und eine von Störungen möglichst freie Gasströmung zu erzeugen.The importance of the invention thus lies in particular in the design of the inner surfaces of the nozzle, the aim of which is to to avoid a thickening of the boundary layer lying against the wall of the diverging part and one of Disturbances to generate as free gas flow as possible.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Düse in schematischer Weise dargestellt. Es zeigenIn the drawing, exemplary embodiments of the nozzle according to the invention are shown schematically. Show it

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine in die Wand eines Schachtofens eingebaute Düse;1 shows a longitudinal section through a nozzle built into the wall of a shaft furnace;

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele mit unterschiedlich ausgebildetem Hohlraumprofil.Fig. 2 and 3 two embodiments with different formed cavity profile.

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Die eine Stoßwelle erzeugende, eine Hochofenwindform bildende Überschalldüse 1 ist in Verlängerung eines Rohrstutzens 2 mit diesem verbunden, der an eine Hochofenwindleitung angeschlossen ist. Die ein rotationssymmetrisches Hohlraumprofil aufweisende Düse 1 weist einen konvergierenden Teil 3 auf, an den sich ein divergierender Teil 4 anschließt, so daß an der Verbindungsstelle dieser beiden Teile eine Einschnürung 5 gebildet wird, die den als "Schallhals" bezeichneten Teil der Düse bildet. Die Windform ist an einem mit dem Mauerwerk des Hochofens einstückig ausgebildeten Träger 6 angeordnet und ragt in das Innere des Hochofens hinein. Die Düse ist mit einer Kühlvorrichtung ausgestattet, die einen von einem doppelwandigen Bauteil begrenzten Ringraum 7 aufweist, in den über die Zuleitung 8 eine Kühlflüssigkeit eingeleitet wird. Die Rückleitung der Kühlflüssigkeit erfolgt durch einen aus der Schnittzeichnung der Fig. 1 nicht ersichtlichen Rohrstutzen. In dem die Düse 1 bildenden Bauteil ist ein Ringraum 9 vorgesehen, der mit · einer Anschlußleitung 10 für den Brennstoff verbunden ist, so daß der Brennstoff über am Umfang des Düsenkanals, in . einem nahe dem Schallhals gelegenen Bereich angeordnete, gleichmäßig über den Umfang verteilte Bohrungen 11 in den Düsenkanal eingeleitet werden kann.The one that generates a shock wave, a blast furnace wind form forming supersonic nozzle 1 is in extension of a pipe socket 2 connected to this, which is connected to a blast furnace wind line. The one rotationally symmetrical Nozzle 1 having a cavity profile has a converging part 3 to which a diverging part Part 4 connects so that a constriction 5 is formed at the junction of these two parts which forms the part of the nozzle called the "sonic neck". The wind shape is at one with the masonry of the Blast furnace integrally formed carrier 6 arranged and protrudes into the interior of the blast furnace. The nozzle is equipped with a cooling device which has an annular space 7 delimited by a double-walled component, into which a cooling liquid is introduced via the supply line 8. The return line of the coolant takes place through a pipe socket which cannot be seen in the sectional drawing in FIG. 1. In which the nozzle 1 forming component, an annular space 9 is provided which is connected to a connecting line 10 for the fuel, so that the fuel over the circumference of the nozzle channel, in. an area located near the sound neck, evenly distributed over the circumference of the bores 11 in the Nozzle channel can be initiated.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der divergierende Teil 4From Fig. 1 it can be seen that the diverging part 4

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aus drei aufeinanderfolgenden Teilstücken 12, _f13 und 14 besteht. Das erste, an den Schallhals 5 angrenzende Teilstück 12 wird durch einen nach dem Ende der Düse zu sich erweiternden Kegelstumpfmantel gebildet. An dieses Teilstück schließt sich ein hohlzylindrisches Teilstück und an dieses ein weiteres Teilstück 14 in Gestalt eines sich ebenfalls nach dem Düsenende hin erweiternden Kegelstumpf mantels an. Die Wirkung des einen zylindrischen Hohlraum umgrenzenden Teilstücks 13 ist eine erneute Beschleunigung der die an die Düsenwandung anliegende Grenzschicht bildenden Strömungsfä'den und die Wiederherstellung der erwünschten Ausbildung einer über den ganzen Querschnitt gleichmäßigen, im wesentlichen parallelen Strömung.consists of three successive sections 12, _f 13 and 14. The first section 12 adjoining the sonic neck 5 is formed by a truncated cone jacket which widens towards the end of the nozzle. This section is followed by a hollow cylindrical section and this is followed by a further section 14 in the form of a truncated cone jacket which also widens towards the nozzle end. The effect of the section 13 delimiting a cylindrical cavity is a renewed acceleration of the flow threads forming the boundary layer adjacent to the nozzle wall and the restoration of the desired formation of a substantially parallel flow that is uniform over the entire cross section.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur ein einziges die Gestalt eines Kegelstumpfmantels aufweisendes Teilstück 15 vorgesehen, das an den Schallhals angrenzt und eine Verlängerung in Gestalt eines hohlzylindrischen, das Ende des Düsenkanals bildenden Teilstücks 16 aufweist. Eine solche etwas einfachere Ausbildung des Düsenkanals hat den Vorteil einer billigeren Herstellung.In the embodiment shown in FIG only one in the shape of a truncated cone having portion 15 is provided which adjoins the sound neck and an extension in the form of a has hollow cylindrical, the end of the nozzle channel forming section 16. Such a slightly simpler one Forming the nozzle channel has the advantage of cheaper production.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten, im wesentlichen mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein-In the case of the one shown in FIG. 3, essentially with the The embodiment shown in Fig. 1 corresponds to

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stimmenden Ausführungsbeispiel sind die aneinander anstoßenden Randzonen der einzelnen Teilstücke als gekrümmte Flächen ausgebildet, um auf diese Weise jegliche Diskontinuität zu vermeiden, die Anlaß zu einer Ablösung der Strömungsfäden von der Wandung geben könnte. Die einzelnen Teilstücke des Düsenkanals sind in Übereinstimmung mit Fig. 1 mit 12, 13 und 14 bezeichnet. Darüberhinaus weist auch der konvergierende Teil der Düse eine auch in Achsrichtung gekrümmte Mantelfläche 17 auf, die durch eine gekrümmte Linie als Erzeugende gebildet wurde und zur Erzielung einer stabilen Strömung beiträgt. Eine solche Ausbildung des Hohlraumprofils des konvergierenden Teils vermeidet die Ausbildung einer Kante, wie sie bei Verwendung eines konvergierenden Teils in Gestalt eines Kegelstumpfmantels an der Stelle des Schallhalses auftreten würde und Anlaß zu einer an dieser Kante beginnenden Ablösung der die Grenzschicht bildenden Stromfäden bilden könnte. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel beträgt der Krümmungsradius des Wandprofils in einer Achsenebene an der Stelle, an der die einzelnen Teilstücke gegeneinander anliegen, etwa das Dreifache des Durchmessers des Düsenkanals an den betreffenden Verbindungsstellen.Corresponding embodiment, the abutting edge zones of the individual sections are curved Surfaces formed so as to avoid any discontinuity giving rise to delamination which could give flow threads from the wall. the Individual sections of the nozzle channel are designated by 12, 13 and 14 in accordance with FIG. 1. In addition, the converging part of the nozzle also has a lateral surface 17 which is also curved in the axial direction, which was formed by a curved line as generating line and contributes to the achievement of a stable flow. Such a design of the cavity profile of the converging part avoids the formation of an edge, such as when using a converging part in the form of a truncated cone jacket at the point of the sonic neck would occur and cause a separation of the current filaments forming the boundary layer beginning at this edge could form. In such an embodiment, the radius of curvature of the wall profile is in an axial plane at the point at which the individual sections abut against each other, about three times the diameter of the nozzle channel at the relevant connection points.

Bei Düsen mit einem hohlzylindrischen Zwischenstück 13 konnte festgestellt werden, daß die Ausbildung einer er-In the case of nozzles with a hollow cylindrical intermediate piece 13 it was found that the formation of a

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wünschten gleichmäßige^ Strömung am zuverlässigsten dann erzielt wurde, wenn die Länge des hohlzylindrischen Teilstücks mindestens dem Innendurchmesser des Teilstücks entspricht.if a steady flow was desired, it was most reliably achieved when the length of the hollow cylindrical Part corresponds at least to the inner diameter of the part.

Mit Düsen dieser Art wurde praktisch eine Ablösung der Grenzschicht von der Wandung des divergierenden Teils vermieden und eine Strömung erzielt, die der Idealform einer über den ganzen Querschnitt gleichmäßigen und gleichgerichteten Strömung weitgehend nahekommt. Die in ihrer Gesamtheit eine größere Geschwindigkeit aufweisende Strömung war von Störungen weitgehend frei, so daß die Gefahr, daß sich an der Innenwandung der Düse heiße Stellen ausbilden, die auf aus der Schmelze stammende Spritzer zurückzuführen sind, nicht wesentlich geringer ist. Damit ergibt sich auch für die Düsen eine längere Lebensdauer und damit ein wirtschaftlicherer Betrieb der mit solchen Düsen ausgestatteten Schachtöfen.With nozzles of this type, the boundary layer was practically detached from the wall of the diverging part avoided and a flow achieved, which is the ideal shape of a uniform and rectified over the entire cross-section Flow largely comes close. The one showing greater speed in its entirety The current was largely free of disturbances, so that the There is a risk that hot spots will form on the inner wall of the nozzle that come from the melt Splashes are not significantly less. This also results in a longer one for the nozzles Service life and thus more economical operation of the shaft furnaces equipped with such nozzles.

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Claims

A 11 820 i - kt YYy 9/17/1975 claims

1. Supersonic nozzle, which is used to blow one out of one Fuel and a combustion agent existing mixture in a shaft furnace is used and for training a shock wave as adjoining, interconnected parts a converging part, a Having a sonic neck and a diverging part, characterized in that the diverging part (4) has at least one substantially cylindrical section (13, 16).

2. Nozzle according to claim 1, since you rch characterized, that the substantially cylindrical Teüstück (16) adjoins the diverging section (15) and forms the end part of the nozzle protruding into the interior of the furnace.

3. Nozzle according to claim 1, characterized in that that the essentially cylindrical section (13) is arranged between two diverging sections (12, 14) whose first (12) is attached to the sonic neck (5)

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connects and the second (14) forms the end part of the nozzle.

4. Nozzle according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the edge zones of the individual parts of the nozzle by curved, merging surfaces are formed.

5. Nozzle according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the wall of the converging part is defined by a surface of revolution (17) whose generatrix is a curved line.

6. Nozzle according to one of claims 3 and 4, characterized in that the radius of curvature the nozzle wall in the area of the merging edge zones of the individual parts of the nozzle in a longitudinal section is on average about three times the nozzle diameter at the relevant connection points.

7. Nozzle according to claim 1, characterized in that the length of the substantially cylindrical section (13, 16) at least the diameter corresponds to this section.

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