DE3724234C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine in Gasturbinen für stationäre Gleichdruckverbrennung vorgesehene und als Ringdüse ausgebildete Kraftstoffdüse mit Luftunterstützung.The invention relates to a gas turbine for stationary Equal pressure combustion provided and designed as an annular nozzle Air assisted fuel nozzle.
Eine derartige Kraftstoffdüse als luftgestützter Direktzerstäuber ist aus der 1980 erschienenen Druckschrift "The Design and Development of Gas Turbine Combustors", Volume I Component Theory and Practice, Northern Research and Engineering Corporation, Woburn, Massachusetts, U.S.A., Seite 6.65, Fig. 6.19 - Airblast Atomizer - Pintle Type, bekannt.Such a fuel nozzle as an air-based direct atomizer is from the 1980 publication "The Design and Development of Gas Turbine Combustors ", Volume I Component Theory and Practice, Northern Research and Engineering Corporation, Woburn, Massachusetts, U.S.A., page 6.65, Fig. 6.19 - Airblast Atomizer - Pintle Type, known.
In dieser Kraftstoffdüse wird im inneren Luftkanal ein Flüssigkeitsfilm gebildet, von einem Luftstrom zur ringförmigen Zerstäubungskante am Außenkörper der Düse getrieben und dort unter Mitwirkung eines zweiten Luftstromes zerstäubt. Die luftgestützte Kraftstoffdüse ermöglicht eine gezielte Beeinflussung der räumlichen Brennstoffverteilung und eine gute Regelbarkeit, da die Zerstäubungsgüte nicht mehr wie bei Druckzerstäubern vom Flüssigkeitsdurchsatz abhängt.In this fuel nozzle there is a liquid film in the inner air duct formed by an air flow to the annular Atomizing edge driven on the outer body of the nozzle and there atomized with the help of a second air stream. The air-assisted fuel nozzle enables targeted influencing spatial fuel distribution and good controllability, since the atomization quality is no longer the same as with pressure atomizers depends on the liquid flow rate.
Begrenzend wirken sich bei diesem Zerstäubertyp die Stabilitätsgrenzen des Flüssigkeitsfilms aus, der sich bei zu kleinen Durchsätzen in Strähnen auflöst und bei zu großen Volumenströmen schon vor der Zerstäubungskante Tropfen absondert. Außerdem ist eine Benetzung der gegenüberliegenden Wand kaum zu vermeiden, die zu unkontrollierbaren Vorgängen wie Pfropfenströmung im Luftkanal und Abtropfen von der nicht vollständig von Luft umspülten Außenwand zur Folge hat. Außerdem verhindert die Trägheit des Flüssigkeitsfilms einen Einsatz im echt instationären Betrieb, wie er bei der motorischen Verbrennung gefordert wird.The stability limits have a limiting effect with this type of atomizer of the liquid film, which is too small Throughput dissolves in strands and when the volume flow is too large secretes drops before the atomizing edge. Furthermore it is almost impossible to avoid wetting the opposite wall, the uncontrollable processes like plug flow in the air duct and draining from the not completely of air washed outside wall. It also prevents Inertia of the liquid film a real use unsteady-state operation, as is the case with engine combustion is required.
Es gilt, die geschilderten Nachteile zu beseitigen und an einer luftgestützten Kraftstoffdüse einfache konstruktive Maßnahmen zu treffen, durch die auch bei Änderung des Kraftstoffdurchsatzes eine gleichbleibend gute Zerstäubung erreicht wird.It is important to eliminate the disadvantages described and at one air-based fuel nozzle simple design measures to meet, even when changing the fuel flow consistently good atomization is achieved.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.To solve this problem are used in the characterizing part of the claim 1 specified characteristics.
Durch die Herausnahme des Flüssigkeitsfilms aus dem Luftkanal lassen sich extrem enge Luftspalten (bis unter 0,15 mm) verwirklichen, die entsprechend kleine Flächenbelastungen und Luftverbräuche erlauben. Somit brauchen die seither schwer in den Griff zu bekommenden Stabilitätsgrenzen des Flüssigkeitsfilms nicht mehr eingehalten zu werden. Die Kraftstoffdüse eignet sich deshalb insbesondere bei kleinen Flächenbelastungen für eine gleichbleibend gute Zerstäubung bei verringertem Luftverbrauch und Druckverlust und gleichzeitig verbesserter Regelbarkeit des Kraftstoffdurchsatzes.By removing the liquid film from the air duct extremely narrow air gaps (down to less than 0.15 mm) can be achieved, the correspondingly small wing loads and Allow air consumption. So they have been hard in need ever since to get a grip on the stability limits of the liquid film no longer being observed. The fuel nozzle is therefore particularly suitable for small wing loads for consistently good atomization with reduced Air consumption and pressure loss and at the same time improved Controllability of the fuel flow.
Aus der DE-AS 27 57 522 ist eine luftunterstützte Zerstäubungsdüse bekannt, die auch zwei Luftkanäle sowie eine zwischen diesen Kanälen angeordnete Kraftstoffzuführung aufweist, bei der aber durch die in verschiedenen Ebenen liegenden Austrittsöffnungen der äußere Luftstrom auf eine Kanalseite des den Kraftstoff führenden Kanals tritt und somit keine Zerstäubung des Kraftstoffes, sondern nur ein Vorantreiben des Kraftstoffilms zur Abreißkante erreicht wird.From DE-AS 27 57 522 is an air-assisted atomizing nozzle known, which also has two air channels and one between has arranged in these channels fuel supply but through the outlet openings located in different levels the outside airflow on one side of the duct fuel channel and therefore none Atomization of the fuel, but only driving the Fuel film to the tear-off edge is reached.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kanäle und deren Anordnung wird bewirkt, daß der Kraftstoff optimal zerstäubt und die Stirnseite der Düse dadurch sauber gehalten wird, daß in dem sich ausbildenden Dreieck am Kanalaustritt zwischen Kraftstoff- und Luftstrahl ein sogenanntes Totwassergebiet auftritt, in welchem die Luft zirkuliert.The inventive design of the channels and their arrangement is caused that the fuel atomizes optimally and the face of the nozzle is kept clean by the fact that in the triangle that forms at the channel outlet between the fuel and a jet of dead water occurs, in which the air circulates.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen angegeben.Advantageous and beneficial further training is in the subclaims specified.
Um den Druckverlust der Luftströmung zu reduzieren und ein feineres Tropfenspektrum zu erzeugen, ist die Luftströmung erst am Düsenaustritt bzw. an der Zerstäubungskante durch eine konvergente Kanalkontur auf ihre Endgeschwindigkeit zu beschleunigen (Anspruch 2). Ist der Winkel zwischen den äußeren Luftkanalwänden groß genug, so wird zusätzlich eine Einschnürung der Strömung hinter dem Kanalaustritt in der Nähe des Zerfallpunktes hervorgerufen, wodurch eine weitere Verringerung des effektiven Strömungsquerschnittes noch unter den Wert der konstruktiv vorgegebenen Austrittsspalte möglich ist.To reduce the pressure drop in the air flow and a The air flow is the first to produce a finer drop spectrum at the nozzle outlet or at the atomizing edge by a convergent Accelerate channel contour to its final speed (Claim 2). Is the angle between the outer air duct walls large enough, a constriction is also added the flow behind the channel exit near the decay point caused a further reduction in the effective flow cross-section still below the value of the constructive predetermined exit column is possible.
Durch eine Verdrallung der Zerstäubungsluft wird die Axialkomponente der Luftgeschwindigkeit und damit der Volumenstrom nochmals verringert und gleichzeitig werden die Scherkräfte am Düsenaustritt zugunsten einer besseren Zerstäubung verstärkt (Ansprüche 3 und 4). Werden die tangential zugeführten Luftströme gegensinnig verdrallt, ergibt sich eine weitere Verbesserung der Zerstäubungsgüte.The axial component becomes a swirl of the atomizing air the air speed and thus the volume flow again reduced and at the same time the shear forces on Nozzle outlet increased for better atomization (Claims 3 and 4). Are the tangentially supplied air flows twisted in opposite directions, there is a further improvement the atomization quality.
Die im Düsenendbereich den Kraftstoffdurchlaß bestimmenden Bohrungen (Anspruch 5) können in ihrer Anzahl variierbar sein, das bedeutet, daß zur Bereichserweiterung Gruppenschaltungen bestimmter Bohrungen durch externe Vorgaben oder mittels einer internen Selbstregelung, z.B. über den Flüssigkeitsvordruck, möglich sind.Those determining the fuel passage in the nozzle end area The number of bores (claim 5) can be varied, this means that for group expansion certain holes through external specifications or by means of a internal self-regulation, e.g. about the liquid form, possible are.
Zum Ausgleich von Störeinflüssen kann eine gezielte Vordrosselung der Flüssigkeit vorgesehen sein (Anspruch 6). Targeted throttling can be used to compensate for interference the liquid can be provided (claim 6).
Die Kraftstoffdüse kann je nach Verwendungszwecke auch als Flachdüse ausgebildet sein.The fuel nozzle can also be used depending on the purposes be designed as a flat nozzle.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung veran schaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:The invention is based on in the drawing clear exemplary embodiments described in more detail. Show it:
Fig. 1 eine als Ringdüse ausgebildete luftgestützte Kraftstoffdüse im Längsschnitt Fig. 1 an air-assisted fuel nozzle designed as an annular nozzle in longitudinal section
Fig. 2 die Ringdüse in Ansicht mit Teilschnitten Fig. 2, the ring nozzle in view with partial sections
Fig. 3 die Ringdüse mit verschiedenen Ausgestaltungen in der oberen und unteren Hälfte und Fig. 3, the ring nozzle with different configurations in the upper and lower half and
Fig. 4 die Kraftstoffdüse als Flachdüse mit ver schiedenen Ausgestaltungen in der linken und rechten Hälfte. Fig. 4 shows the fuel nozzle as a flat nozzle with different configurations in the left and right halves.
Eine luftgestützte Kraftstoffdüse 1 in der Ausführung als direktzerstäubende Ringdüse gemäß Fig. 1, 2 und 3 besteht aus einem gehäuseartigen Außenkörper 2 bzw. Düsenkörper, einem zentral liegenden zylindrischen Innenkörper 3 mit einem sich zur Brennraumseite hin er weiternden kegelförmigen Endstück 4 sowie einem zwischen Außenkörper 2 und Innenkörper 3 angeordneten Ringkörper 5.An air-assisted fuel nozzle 1 in the form of a direct atomizing ring nozzle according to FIGS . 1, 2 and 3 consists of a housing-like outer body 2 or nozzle body, a centrally located cylindrical inner body 3 with a conical end piece 4 widening towards the combustion chamber side and one between the outer body 2 and inner body 3 arranged ring body 5th
Die Ringdüse 1 enthält einen inneren und äußeren Luft kanal 6, 7 mit dazwischenliegender Kraftstoffzuführung 8. Der Außenkörper 2 weist eine mehrstufig ausgebildete Ausnehmung 9 auf, in deren mittlerem Ausnehmungsabschnitt 9a der Ringkörper 5 eingepaßt ist, dessen Innenwand 10 mit dem Innenkörper 3 den inneren Luftkanal 6 und dessen Außenwand 11 mit der Wand 12 des düsenaustrittsseitigen Ausnehmungsabschnittes 9b den äußeren Luftkanal 7 bildet. Der an dem Bodenteil 13 des Außenkörpers 2 endende Aus nehmungsabschnitt 9c ist mit seiner Wand 14 bündig zur Innenwand 10 des Innenkörpers 3 ausgeführt.The ring nozzle 1 contains an inner and outer air channel 6 , 7 with fuel supply 8 in between. The outer body 2 has a multi-stage recess 9 , in the central recess portion 9 a of the ring body 5 is fitted, the inner wall 10 with the inner body 3, the inner air duct 6 and the outer wall 11 with the wall 12 of the nozzle outlet side recess portion 9 b, the outer air duct 7 forms. The end of the bottom part 13 of the outer body 2 from recess portion 9 c is executed with its wall 14 flush with the inner wall 10 of the inner body 3 .
Der innere Luftkanal 6 bildet einen als Drallraum wirkenden Ringraum mit zunächst gleichbleibendem Quer schnitt, der sich zum Düsenaustritt hin durch das kegelförmige Endstück 4 des Innenkörpers 3 und durch die kegelförmige Ausbildung des Ringkörpers 5 verkleinert, derart, daß sich ein schmaler Luftringspalt 6a am Düsen ende ergibt. In dem Außenkörper 2 sind radial verlaufende und einander gegenüberliegende Luftzuführbohrungen 16, 17 angeordnet, die in den Ringraum 6 tangential einmünden.The inner air duct 6 forms an annular space acting as a swirl chamber with an initially constant cross section, which is reduced towards the nozzle outlet by the conical end piece 4 of the inner body 3 and by the conical design of the annular body 5 , such that a narrow air ring gap 6 a at the nozzle end results. Radially extending and opposite air supply bores 16 , 17 are arranged in the outer body 2 , which open out tangentially into the annular space 6 .
Der äußere Luftkanal 7 bildet ebenfalls einen als Drall raum wirkenden Ringraum mit zunächst gleichbleibendem Querschnitt und zum Düsenaustritt hin sich verkleinerndem Querschnitt. In diesem Bereich verjüngt sich der Aus nehmungsabschnitt 9b, während die Außenwand 11 des Ring körpers 5 zylindrischen Verlauf hat. Auch in diesen äußeren Ringraum münden radial im Außenkörper 2 ver laufende Luftzuführbohrungen 18, 19 tangential ein, die einander gegenüberliegen. Die Luftzuführbohrungen 16, 17 und 18, 19 sind zueinander so angeordnet, daß die Luft ströme gegensinnig verdrallt werden (Fig. 2).The outer air duct 7 also forms an annular space which acts as a swirl and initially has a constant cross section and a cross section which is reduced towards the nozzle outlet. In this area, the tapering section 9 b tapers, while the outer wall 11 of the ring body 5 has a cylindrical course. Also in this outer annulus open radially in the outer body 2 ver running air supply holes 18 , 19 tangentially opposite one another. The air supply holes 16 , 17 and 18 , 19 are arranged so that the air currents are swirled in opposite directions ( Fig. 2).
Die Kraftstoffzuführung 8 setzt sich aus zwei im Außen körper 2 axial verlaufenden Zulaufbohrungen 20, 21 , einem sich anschließenden, jedoch im Ringkörper 5 ange ordneten Ringkanal 22, von diesem ausgehenden am Umfang zahlreich verteilten Hauptbohrungen 23 sowie aus zuge ordneten Bohrungen 24 als Nebenbohrungen zusammen, die gegenüber den Hauptbohrungen 23 leicht abgewinkelt ver laufen, mit wesentlich kleinerem Durchmesser versehen sind und zwischen den Luftkanälen 6, 7 derart ausmünden, daß die aus den Luftkanälen 6, 7 austretenden Luftströme den Kraftstoffstrahl schneiden.The fuel supply 8 is composed of two in the outer body 2 axially extending inlet holes 20 , 21 , a subsequent, but in the ring body 5 arranged ring channel 22 , starting from this numerous main holes 23 distributed around the circumference and associated holes 24 together as secondary holes, which run slightly angled relative to the main bores 23 , are provided with a substantially smaller diameter and open out between the air channels 6 , 7 in such a way that the air streams emerging from the air channels 6 , 7 cut the fuel jet.
Die Austrittsöffnungen 6a, 7a der Luftkanäle 6, 7 und die Austrittsöffnungen 24a der Bohrungen 24 liegen zumindest annähernd in einer Austrittsebene.The outlet openings 6 a, 7 a of the air channels 6 , 7 and the outlet openings 24 a of the bores 24 are at least approximately in an outlet plane.
Die in Fig. 1 gezeigte Zulaufbohrung 20 ist gegenüber Fig. 2 um 60° und ein Paßstift 25 um 15° versetzt dargestellt. Zu laufbohrungen 20 und 21 sowie Paßstifte 25 und 26 liegen einander diametral gegenüber, ebenso wie die den Ringkörper 5 mit dem Außenkörper 2 verspannten Be festigungsschrauben 27, 28.The inlet bore 20 shown in FIG. 1 is shown offset by 60 ° with respect to FIG. 2 and a dowel pin 25 offset by 15 °. To run bores 20 and 21 and dowel pins 25 and 26 are diametrically opposed to each other, as are the fastening screws 27 , 28 bracing the ring body 5 with the outer body 2 .
Anstelle der Anordnung von düsenaustrittsseitigen Bohrungen 24 kann auch ein Kraftstoffringspalt 29 ge mäß Fig. 3 untere Hälfte vorgesehen sein.Instead of the arrangement of holes 24 on the nozzle outlet side, a fuel ring gap 29 can also be provided in accordance with FIG. 3, lower half.
Gegebenenfalls kann die Kraftstoffdüse 1 als Flachdüse gemäß Fig. 4 ausgebildet sein, die entweder mit Bohrungen 24 bestückt oder mit einem flachen Schlitz 30 versehen ist. Die Austrittsöffnungen 6a, 7a der Luftkanäle 6, 7 sind schlitzförmig ausgeführt. Die Schlitze verlaufen parallel zur Austrittsöffnung der Kraftstoffzuführung.Optionally, the fuel nozzle 1 can be designed as a flat nozzle according to FIG. 4, which is either equipped with bores 24 or is provided with a flat slot 30 . The outlet openings 6 a, 7 a of the air channels 6 , 7 are slit-shaped. The slots run parallel to the outlet opening of the fuel supply.
Die besondere luftgestützte Kraftstoffdüse kann als viel fältig optimierbares System nicht nur zur Zerstäubung von Kraftstoffen, sondern überall dort eingesetzt werden, wo entsprechende Forderungen an die Zerstäubung von Flüssigkeiten gestellt werden wie z.B. in medizinischen Geräten bei der Lackzerstäubung, bei der Oberflächen beschichtung, dem Ausbringen von Injektiziden und bei Verwendung von Mehrphasengemischen.The special air-based fuel nozzle can be as much system that can be optimized not only for atomization of fuels but are used everywhere there where appropriate demands on the atomization of Liquids such as in medical Devices for spraying paint, for surfaces coating, the application of injecticides and at Use of multi-phase mixtures.
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