DE60318287T2

DE60318287T2 - Zerstäuber mit diskreten Strahlen

Info

Publication number: DE60318287T2
Application number: DE60318287T
Authority: DE
Inventors: Chien-Pei 50325 Mao; John Earl 50211 Short
Original assignee: Delavan Inc
Current assignee: Collins Engine Nozzles Inc
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2023-09-20
Also published as: CA2440597A1; JP4307942B2; JP2004122124A; US20040061001A1; AU2003243993B2; DE60318287D1; EP1402956A3; EP1402956A2; AU2003243993C1; AU2003243993A1; US6863228B2; EP1402956B1

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen Zerstäuber und insbesondere auf einen Zerstäuber zur Schaffung eines Flüssigkeits-/Gasstrahls.
HINTERGRUND
Flüssigkeitszerstäuber werden weitläufig in industriellen, landwirtschaftlichen, Antriebssystemen und anderen Systemen verwendet. Derartige Flüssigkeitszerstäuber werden typisch eingesetzt, um einen Strahl (d. h., eine Flüssigkeits-/Gasmischung, die feine Tröpfen von Flüssigkeit umfasst) für verschiedene Zwecke zu produzieren, wie Schaffen eines Spektrums von Tröpfchen, Steuerung oder Dosierung von Flüssigkeitsdurchsatz, Dispersion von Flüssigkeitströpfchen zum Mischen mit Umgebungsluft und Generierung von Tröpfchengeschwindigkeit oder Eindringen von Tröpfchen. In einer Ausführungsform kann die Transformation von Masseflüssigkeiten zu Strahlen (Sprays), beispielsweise, durch Richten verschiedener Energieformen, wie hydraulischer, pneumatischer, elektrischer, akustischer oder mechanischer Energie auf die Masseflüssigkeit, erzielt werden, die bewirken soll, dass sich die Flüssigkeit zu Tröpfchen aufspaltet.
Pneumatische Zerstäuber werden häufig in Anwendungen für Gasturbinentriebwerke verwendet. Die meisten in Anwendungen für Gasturbinentriebwerke verwendeten pneumatischen Zerstäuber schließen ein Zerstäubermundstück ein, das zwei Komponenten umfasst: einen Kraftstoffverwirbler und einen Luftverwirbler. Der Kraftstoffverwirbler könnte eine Flüssigkeit in einem Ende empfangen und die Flüssigkeit durch eine Ausgangsöffnung, typisch in einer spiralförmigen Bewegung herausschleudern oder speisen, um einen Film oder Strahl von Flüssigkeit zu generieren. Der Luftverwirbler (wie beispielsweise ein diskreter Luftstromverwirbler) könnte Pressluft so in Richtung der ausgegebenen Flüssigkeit leiten, dass die Pressluft an die Flüssigkeit anprallt, die Flüssigkeit in ein Spektrum von Tröpfchen spaltet und die Tröpfchen dispergiert.
In solchen pneumatischen Zerstäubern sind die Luftströme typisch Luftströme hohen Volumens und niedrigem Druckabfall oder Luftströme niedrigen Volumens und hohem Druckabfall, die in Richtung der Masseflüssigkeit geleitet werden, um an den Flüssigkeitsfilm oder Strahl zu prallen oder gegen diesen zu scheren. Die in Richtung der oder über die Masseflüssigkeit geleiteten Luftströme umfassen häufig eine Rotationskomponente oder ein "Verwirbel"-Bewegungselement, um Mischen und Interaktion mit der Flüssigkeitsoberfläche sowie die Dispersion der Flüssigkeitströpfchen zu verbessern. Somit könnten die Luftströme angeordnet und gesteuert werden, um die erwünschte Verteilung und Gleichförmigkeit der Kraftstofftröpfchen sowie den erwünschten Winkel des Flüssigkeitströpfchenstrahls zu produzieren. Insbesondere stellt der Zerstäuber, in Anwendungen für Gasturbinen, einen Kraftstoffstrahl bereit, der der Gasturbine erlaubt über einen breiten Bereich von Verbrennungsgrenzwerten über verlängerte Zeitspannen mit geringem Luftschall und schadstoffarmen Kontaminanten zu arbeiten.
Luftverwirbler werden häufig noch nach Trial-and-Error-Methoden (Probiermethoden) entworfen, die viel Entwicklungsanstrengung und Zeit involvieren, um die zeitbezogene Feinabstimmung der Designgeometrie oder die erwünschten Strahlkenndaten zu erzielen. Überdies könnten sich die aus dem Luftverwirbler austretenden Luftströme überlappen oder einander in der Nähe des Luftverwirblers kreuzen, was zu Energieverlust, verringerter Sprühkontrolle und schmalen Strahlwinkeln führt. Bei Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk könnten derartige Zerstäuber mit sich kreuzenden Luftströmen zu einem relativ engen Bereich von Verbrennungstabilitätsgrenzwerten, übermäßigem Luftschall und hohen Rauchpegeln bei leistungsarmen Bedingungen führen. Derartige Zerstäuber könnten außerdem Kohlenstoffaufbau auf der Zerstäuberstirnfläche erfahren und Schwierigkeiten beim Wiederanstellen (Wiederzünden) des Triebwerks in großer Höhe haben. In einigen Designs des Stands der Technik sind die Luftströme konzipiert sich zu kreuzen, um den Strahl kollabieren zu lassen im Bemühen Rauch zu reduzieren und die Anwesenheit von Hotspots (Heißstellen) auf den Auskleidungswänden zu lindem.
Folglich besteht eine Notwendigkeit für Luftverwirbler und Zerstäuber, die effizienter und wirksamer sind, sowie für eine Methodologie für das Entwerfen von Luftverwirblern und Zerstäubern.
Die FR 2039104 beschreibt Einspritzdüsen für brennbare Flüssigkeit und insbesondere Zerstäuberdüsen für brennbare Flüssigkeit für eine Gasturbine oder dergleichen. Die Düsen sind dadurch gekennzeichnet, dass Luft vom Luftauslass in Form eines rastfreien Hohlkegels evakuiert wird, um einen reduzierten statischen Druckkegel zu schaffen, der einen brennbaren Zerstäubungskegel umgibt und einen praktisch konstanten Wirbelwinkel, trotz einer Variation der brennbaren Strömung und trotz einer Variation des Umgebungsdrucks um die Düse herum, beibehält.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung stellt einen Zerstäuber und ein Verfahren bereit, wie es in den zugehörigen Ansprüchen dargelegt ist.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der zugehörigen Zeichnungen und Beschreibungen erkennbar sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein seitlicher Querschnitt eines Luftverwirblers, die verschiedene Geometrien und Koordinaten eines Luftverwirblers mit einem einzigen Satz Bohrungen veranschaulicht;
2 ist ein seitlicher Querschnitt eines Luftverwirblers mit zwei Sätzen Bohrungen, der Luftströme veranschaulicht, die sich nicht kreuzen;
2a ist eine schematische dreidimensionale Darstellung eines durch den Lufverwirbler der 2 geleiteten Luftstroms;
2b ist eine Vorderansicht der schematischen Darstellung der 2a;
2c ist ein seitlicher Querschnitt der schematischen Darstellung der 2b entlang der Linien 2c-2e;
3 ist ein seitlicher Querschnitt eines Luftverwirblers mit zwei Sätzen Bohrungen, der Luftströme veranschaulicht, die sich stromabwärts vereinen;
4 ist ein seitlicher Querschnitt eines Luftverwirblers mit zwei Sätzen Bohrungen, der Luftströme veranschaulicht, die sich kreuzen;
5 ist ein seitlicher Querschnitt eines Zerstäubersystems, das einen Kraftstoffverwirbler und den Luftverwirbler der 2 umfasst;
6 ist eine Vorderansicht des Zerstäubers der 5;
7 ist ein seitlicher Querschnitt und eine Vorderansicht eines Zerstäubers, der einen alternativen Luftverwirbler umfasst;
8 ist ein seitlicher Querschnitt und eine Vorderansicht eines Zerstäubers, der einen weiteren alternativen Luftverwirbler umfasst; und
9 ist ein seitlicher Querschnitt eines Zerstäubers, der zwei Luftverwirbler und ein Kraftstoffverwirblerteil des „prefilming" Typs umfasst.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die 1 veranschaulicht einen Luftverwirbler 10 und ein Koordinatensystem und Designparameter zum Ermitteln der Bilder dort hindurchgehender Luftströme. Der Luftverwirbler 10 der 1 umfasst eine Zentralachse 12 (die Achse der 1) und eine sich axial erstreckende Öffnung 14, die um die Zentralachse 12 zentriert ist. Der Luftverwirbler 10 umfasst eine Frontfläche 16 und einen Satz radial mit Abstand angeordneter Öffnungen 18, die sich von einer hinteren Oberfläche 20 des Luftverwirblers 10 zur Frontfläche 16 davon erstreckt. Jede der Öffnungen 18 könnte einen generell runden Querschnitt und eine Zentralachse 19 haben. Aber die Öffnungen 18 könnten andere Formen außer rund, wie beispielsweise eine „Tragflügel"-Form oder viereckige Form, haben.
Jede der Öffnungen 18 ist mit Abstand von der Zentralachse 12 des Luftverwirblers 10 an der Frontfläche 16 um eine radiale Versatzdistanz a angeordnet. Die Zentralachse 19 jeder der Öffnungen 18 könnte einen Winkel mit der Zentralachse 12 des Luftverwirblers 10 um einen Winkel bilden, der als der Winkelversatz θ bezeichnet ist, der ein spitzer Winkel sein könnte. Jede der Öffnungen 18 könnte vorzugsweise, so ausgerichtet sein, dass jede der Öffnungen 18 im Wesentlichen einen identischen Wert für a und θ hat. Jede der Öffnungen 18 könnte einen Neigungswinkel (nicht gezeigt) derartig haben, dass Luft, die durch jede der Öffnungen 18 geleitet wird, eine Geschwindigkeitskomponente hat, die sich in die Seite der 1 (siehe 2a) hinein und aus dieser heraus erstreckt.
Wenn Pressluft durch die Öffnungen 18, als projizierte Luftströme dargestellt, geleitet wird, folgen die Luftströme 22 einer generell hyperbolischen Bahn. Die 1–2 und 3–9 veranschaulichen die Bahn von Luftströmen (wie Luftströme 22 der 1), die durch die Öffnungen geleitet werden. Aber weil jeder der Luftströme Geschwindigkeitskomponenten in drei Dimensionen umfassen könnte, repräsentieren die in jeder der 1–2 und 3–9 dargestellten Luftströme Projektionen des Luftstroms. Zum Beispiel ist, wie in der 1 gezeigt, jeder der Luftströme 22 auf die Ebene x-y projiziert und die 6 stellt die auf die Ebene y-z projizierten Luftströme 46 und 48 dar.
Wie in der 1 dargestellt, könnte die Projektion jeder der Luftströme 22 auf der Ebene x-y eine vorwiegend axiale Geschwindigkeitskomponente haben, aber ebenso eine radiale Geschwindigkeitskomponente aufweisen, die anfänglich eine radial nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente ist, wenn die Luftströme zuerst aus dem Luftverwirbler 10 austreten und schließlich zu einer radial nach außen gerichteten Geschwindigkeitskomponente an einer Stelle übergeht, die als der Pinch-Punkt 24 bezeichnet ist. Somit konvergieren die Luftströme 22 zuerst nach innen in Richtung des Pinch-Punkts 24, der sich typisch eine kurze Distanz innerhalb der Düsenfläche 16 (d. h., ca. ±3a oder ca. ±10a.) befindet. Die Luftströme 22 beginnen dann vom Pinch-Punkt 24 aus radial nach außen zu divergieren, um die Tröpfchen in einen runden Querschnittsbereich zu divergieren. Die axiale Distanz von der Frontfläche 16 des Luftverwirblers 10 zum Pinch-Punkt 24 wird als die Dimension h bezeichnet.
Es sollte allgemein angenommen werden, dass sich der Pinch-Punkt 24 innen im Luftverwirbler 10 befinden könnte (das heißt, der Pinch-Punkt könnte links der äußeren Kante der Frontfläche 16 der 1 liegen). In diesem Fall könnte die Dimension h dafür bestimmt sein, einen negativen Wert zu haben. Aber die Distanz von der Frontfläche 16 ist generell als eine positive Zahl bemessen; das heißt, die könnte den absoluten Wert der Distanz von der Frontfläche 16 repräsentieren.
Die Projektion der hyperbolischen Bahn der Luftströme 22 umfasst ein Paar Asymptoten 26, wovon sich jede generell parallel zur Zentralachse 19 der Öffnungen 18 erstreckt und bei der Distanz h schneidet. Ein Paar Linien 28 erstrecken sich generell axial und sind zu den hyperbolischen Luftströmen 22 am Pinch-Punkt 24 tangential. Der stromabwärts gelegene Versatz b ist die axiale Distanz vom Schnittpunkt der Asymptoten 26 (oder vom Pinch-Punkt 24) zum Punkt, wo die Asymptoten 26 die Linie 28 schneiden.
Die in der 1 gezeigte Bahn der Projektion der Luftströme 22 lässt sich durch die folgende hyperbolische Gleichung definieren:
Mit Bezug auf die 1 kann sie auf einfache Trigonometrie basiert sein, dass Tangens tanθ = a / b.
Folglich können, unter Berücksichtigung dieser Gleichung, die Bahnen oder die Projektionen der Bahnen der Luftströme 22 grafisch aufgezeichnet und im Voraus bestimmt werden, indem die radiale Versatzdistanz a, die Pinch-Punkt-Distanz h und der Winkelversatz θ bekannt sind. Es könnte erwünscht sein, den radialen Versatz a auf eine maximale Distanz einzustellen, die durch die Geometrie des Verwirblers 10 zulässig ist.
Wie in den 2 und 6 gezeigt, könnte ein Luftverwirbler 40 mindestens zwei Sätze Bohrungen oder Öffnungen 42, 44 umfassen. Wie in der 6 gezeigt, könnte der Luftverwirbler 40 einen Satz äußerer Öffnungen 42, die in einer generell kreisförmigen Konfiguration angeordnet sind und einen Satz innerer Öffnungen 44, die in einer generell kreisförmigen Konfiguration angeordnet sind, umfassen. Der Satz innerer Öffnungen 44 könnte generell konzentrisch mit dem Satz äußerer Öffnungen 42 sein, wobei jeder Satz Öffnungen 42, 44 um die Zentralachse 12 angeordnet ist. Der Satz innerer Öffnungen 44 könnte generell kleiner als der Satz äußerer Öffnungen 42 sein. Wie in der 5 gezeigt, könnten die inneren Öffnungen 44 und die Projektion der inneren Strömungsbahnen 48 die Parameter a₁ θ₁ and h₁ und die äußeren Öffnungen 42 und die Projektion der äußeren Strömungsbahnen 46 die Parameter a₂, θ₂ und h₂ haben.
Die 2a veranschaulicht eine dreidimensionale grafische Darstellung des Luftverwirblers 40 der 2 und der hindurchgeleiteten Luftströme 46, 48. Wie zu ersehen ist, befinden sich die Luftströme 46 im Profil einer dreidimensionalen Hyperbel 47 und die Luftströme 48 befinden sich im Profil einer dreidimensionalen Hyperbel 49. Anders ausgedrückt, man kann sich die Hyperbel 47 (oder 49) als einen Rotationskörper, definiert durch die Projektion eines Luftstroms 46 (oder 48) als um die Zentralachse 12 rotiert, vorstellen. Wie in den 2b und 2c gezeigt, durchschneiden die individuellen Luftströme 46, 48 eine vertikale Ebene, die durch die Zentralachse 12 hindurchgeht (d. h.; die von der Linie 2c-2c definierte Ebene).
Wie oben bemerkt, umfasst die 2 eine Projektion der Strömungsbahnen 46, 48 auf der Ebene x-y. Somit werden nur die Öffnungen 42', 44' (siehe 6), die von der Zentralachse 12 um eine Distanz von a₂ bzw. a₁ mit Abstand angeordnet sind, wirklich einen Winkel von of θ₁ und θ₂ haben, der auf die Ebene x-y projiziert ist. Die restlichen Öffnungen 42, 44 werden geringere Werte der Winkel θ₁ und θ₂ haben, die auf die Ebene x-y projiziert sind. Somit könnte der Winkelversatz θ als der maximale Winkel definiert sein, den irgendeine Öffnung des Satzes von Öffnungen mit einer Ebene bilden kann, die durch die Zentralachse 12 hindurchgeht.
Wie in der 5 gezeigt, könnte der Luftverwirbler 40 der 2 mit einem Kraftstoffverwirbler 50, wie beispielsweise einem Simplex-Einspritzmundstück, verwendet werden, um einen Zerstäuber 52 mit diskreten Strahlen zu schaffen. Das Simplex-Einspritzmundstück 50 ist eine gut bekannte Komponente, die einen Kraftstoffverwirblerkegel 54 umfasst, der eine an eine Kraftstoffförderleitung 56 angeschlossen ist und eine Abdichtkugel 58 könnte im Kraftstoffverwirbler 54 angeordnet sein. Das Simplex-Einspritzmundstück 50 und die Kraftstofffördungsleitung 56 werden im Inneren der Öffnung 14 des Luftverwirblers 40 aufgenommen. In Betrieb wird flüssiger Kraftstoff in der Kraftstofförderleitung 56 unter Druck durch einen Satz versetzter Spin-Löcher 60 am Kraftstoffkegel 54 und in eine hohle Wirbelkammer 62 im Innern des Kraftstoffkegels 54 forciert. Die spiralförmige Bewegung des flüssigen Kraftstoffs in der Wirbelkammer 62 umfasst die Bildung eines Luftkerns im Innern der Verwirbelungskammer 62 in Richtung der Ausgangsöffnung 64 der Wirbelkammer 62. Somit verbreitet sich, sowie der flüssige Kraftstoff aus der Öffnung 64 austritt, flüssiger Kraftstoff radial nach außen, um, auf eine bekannte Weise, einen konischen Film zu bilden. Die Luftströme, die durch den Luftverwirbler 40 strömen, prallen auf den Kraftstoffstrahlkegel 54, um den Kraftstoffstrahl 66 in Tröpfchen zu zerstäuben und die Tröpfchen auf die erwünschte Weise zu dispergieren.
Der Luftverwirbler 10 und der Zerstäuber 52 werden vorzugsweise so positioniert und angeordnet, dass sich keine physikalischen Strukturen oder Komponenten in der Nähe des Luftverwirblers befinden, sodass die Luftströme 46, 48 ungehindert ihrer natürlichen hyperbolischen Bahn folgen können. Beispielweise befinden sich, in einer Ausführungsform, keine physikalischen Strukturen oder Komponenten innerhalb einer Distanz von mindestens etwa der radialen Versatzdistanz a oder dreimal oder zehnmal des radialen Versatzes a in der stromabwärts gelegenen Richtung.
Obwohl die Geschwindigkeit der durch den inneren Satz 44 und äußeren Satz 42 von Öffnungen strömende Luft ca. gleich sein könnte, können die Luftströme 48 niedrigen Volumens, die durch den inneren Satz Bohrungen 44 hindurchgehen, für anfängliche Zerstäubung des Kraftstoffs sorgen und die Luftströme 46 stärkeren Aufpralls, die durch den äußeren Satz Öffnungen 42 hindurchgehen, könnten die Tröpfchen dispergieren und in die erwünschten Bereiche liefern. Somit tendieren die zerstäubten Kraftstofftröpfchen den Luftströmen 46, 48 entlang ihrer Strömungsbahnen zu folgen, die den zerstäubten Kraftstoff zu den erwünschten Bereichen zur Mischung und Verbrennung liefern und die äußeren Luftströme 46 helfen die Zerstäubung zu erhöhen und sorgen für einen Strahlwinkel, der erwünschter ist. Somit unterstützen die, in der Ausführungsform der 2 gezeigten, äußeren 46 und inneren 48 Luftströme einander, um eine effizientere Zerstäubung und Tröpfchenverteilung bereitzustellen.
Wenn Luftströme 46, 48 durch jede der Öffnungen 42, 44 geleitet werden (d. h., indem Pressluft durch jede der Öffnungen 42, 44 geleitet wird), könnte es erwünscht sein, dass die Projektionen der Luftströme 46, 48 generell parallel bleiben oder sich, mindestens, nicht schneiden, während sie sich in der Nähe der Frontfläche 16 befinden. Die 4 veranschaulicht eine Konfiguration, in der sich die Projektionen der Luftströme 46, 48 kreuzen oder schneiden. In der Konfiguration der 4 schneidet die Projektion der Luftströme 48 des inneren Satzes Bohrungen 44 die Projektion des Luftstroms 46 des äußeren Satzes Bohrungen 42 stromaufwärts des Pinch-Punkts des Luftstroms 46. Die inneren Luftströme 48 könnten einen breiteren Winkel als die äußeren Luftströme 46 haben und somit könnte der Luftstrom 46 im Luftstrom 48 positioniert enden.
Wenn die Luftströme 46, 48 (oder deren Projektionen) einander, wie in der 4 gezeigt, überkreuzen, geht die Energie und gerichtete Geschwindigkeit der sich schneidenden Ströme 46, 48, aufgrund der Störung zwischen den Luftströmen 46, 48, verloren. Daher tendiert die Strömungsbahn der projizierten inneren Luftströme 48, wie in der Konfiguration der 4 gezeigt, die projizierte n äußeren Luftströme 46 zu durchschneiden, was ein zufälliges und gestörtes Strahlbild ergibt. Überdies könnten die sich kreuzenden Luftströme 46, 48 nicht richtig auf den Kraftstoffstrahl 66 gerichtet sein, was den Effekt der Luftströme auf den Kraftstoffstrahl 66 reduzieren könnte, wodurch die Zerstäubung der Masseflüssigkeit reduziert wird. Wenn in Anwendungen für Gasturbinentriebwerke benutzt, können Luftverwirbler mit sich überkreuzenden Luftströmen zu Problemen beim Wiederanstellen bzw. Wiederzünden in großer Höhe führen, könnten einen relativ engen Bereich von Verbrennungsstabilitätsgrenzwerten, hohe Rauchpegel bei leistungsarmen Bedingungen und erhöhten Luftschall bereitstellen.
Folglich könnte es wünschenswert sein einen Luftverwirbler bereitzustellen, in dem die Luftströme 46, 48 (oder ihre Projektionen) einander nicht kreuzen. Beispielsweise bleiben die Projektionen der Luftströme 46, 48 in der Ausführungsform der 2 ein wenig parallel (oder divergieren geringfügig in der Stromabwärtsrichtung) und kreuzen sich nicht. Aber in einigen Fällen kann die Strömungskonfiguration der 2 (d. h., gänzlich nicht überlappende, sich nicht schneidende Luftströme), aufgrund physikalischer Begrenzungen im Luftverwirbler 40 oder anderen Zerstäuberkomponenten, nicht erzielt werden. Daher könnte den Luftströmen 46, 48 (oder ihren Projektionen), wie in der 3 gezeigt, außerdem erlaubt werden sich stromabwärts ausreichend zu vereinen, um Unterbrechung des stabilen Strömungsbetriebszustands zu minimieren. In dieser Ausführungsform vereinen sich die Projektionen der Luftströme 46, 48 zu einem Einzelluftstrom in einer ausreichenden Distanz in der Stromabwärtsrichtung, aber kreuzen oder schneiden sich nicht.
Auf diese Weise schneidet ein innerer Luftstrom 48 vorzugsweise keinen äußeren Luftstrom 46 (oder die Hyperbel oder konischen Abschnitt 47, definiert durch einen oder mehrere der Luftströme 46), aber wenn sie sich schneiden, schneiden sie sich nicht bis oder außer beide der sich schneidenden Luftströme 46, 48 bewegen sich mindestens teilweise relativ zur Zentralachse 12 radial nach außen. Die inneren 44 und äußeren 42 Öffnungen könnten so angeordnet sein, dass ein innerer Luftstrom 48 (oder seine Projektion) einen äußeren Luftstrom 46 (oder seine Projektion) innerhalb einer Distanz von, beispielsweise, mindestens ca. dreimal der radialen Versatzdistanz der äußeren Öffnungen 42 oder mindestens ca. zehnmal der radialen Versatzdistanz der äußeren Öffnung 42 nicht schneidet. Anders ausgedrückt, die Luftströme 46, 48 (oder ihre Projektionen) schneiden sich nicht oder, falls sie sich schneiden, könnten sich beide Luftströme 46, 48 (oder ihre Projektionen) mindestens teilweise relativ zur Zentralachse 12 nach außen bewegen, wenn sich die Ströme 46, 48 (oder ihre Projektionen) schneiden.
Der Zerstäuber könnte mehr als zwei Sätze Öffnungen 42, 44 umfassen. In diesem Fall könnte jeder der Sätze Öffnungen so angeordnet werden, dass Projektionen der Luftströme, die durch jede der Öffnungen geleitet werden sich nicht auf dieselbe oder ähnliche Weise wie oben erörtert schneiden.
Um die Öffnungen 42, 44 des Luftverwirblers 10 so anzuordnen, dass sich die Luftströme 46, 48 nicht kreuzen, können grafische Darstellungen der Luftströme 46, 48 auf der Basis einer gegebenen radialen Versatzdistanz a, einer Pinch-Punkt-Distanz h und einem Winkelversatz θ berechnet werden. Die resultierenden hyperbolischen Kurven für die Luftströme 46, 48, die durch die Öffnungen 42, 44 hindurchgehen, können dann grafisch dargestellt werden und der Designer kann die grafischen Darstellungen oder Daten überprüfen, um zu ermitteln, ob sich die Luftströme 46, 48 (oder die 2-D-Projektionen der Luftströme 46, 48) kreuzen. Falls sich die Luftströme 46, 48, (wie in der 4) kreuzen, dann können die verschiedenen Dimensionen (a, h und θ) modifiziert werden, bis das erwünschte Ergebnis erzielt ist.
Wenn der Luftverwirbler 40 der 2 und 3 (d. h., sich nicht schneidende projizierte Luftströme 46, 48 aufweisend) als Teil eines Zerstäubers in einer Anwendung für Gasturbinentriebwerke benutzt wild, könnte der resultierende Zerstäuber höhere Verbrennungsstabilitätsgrenzwerte, reduzierten Luftschall, gleichmäßigen Strahl und gut zerstäubte Tröpfchengrößen bereitstellen, die alle eine gut vermischte Kraftstoff-/Luftmischung produzieren, die für hohe Verbrennungseffizienz und geringe Emissionen günstig ist.
Auf diese Weise lässt sich ein Luftverwirbler unter Einsatz von Methodologie entwerfen und konstruieren, die eine Vorschau der Luftstrombilder erlaubt, sodass der Designer sicherstellen kann, dass der Luftverwirbler ein effizientes aerodynamisches Bild bereitstellt, um Flüssigkeitszerstäubung, Tröpfchendispergierung, Strahlbild und Strömungsstruktur zu steuern. Nach dem das erwünschte Bild von Luftströmen erstellt ist, können die Dimensionen a, h und θ einem Hersteller geliefert werden, sodass der Luftverwirblerkörper auf die erwünschte Weise konstruiert werden kann.
Der Luftverwirbler 40 lässt sich in Kombination mit irgendeinem einer großen Vielfalt an Kraftstoffverwirblern oder Injektoren verwenden, um eine große Vielfalt an Zerstäubern zu schaffen. Beispielsweise kann der Luftverwirbler 40 der vorliegenden Erfindung mit einer großen Vielfalt an Kraftstoffverwirblern über Simplex-Einspritzmundstücke hinaus, einschließlich, aber nicht auf Simplex beschränkt, Duplex-, Doppelöffnungs- und ringförmigen Prefilming-Zerstäubermundstücken oder Kombinationen davon (wie beispielsweise vorgesteuerte Mundstücke) verwendet werden. Überdies kann der Zerstäuber 52 mit diskreten Strahlen, der in der 5 gezeigt ist, modifiziert werden, um erweiterte Anforderungen hinsichtlich Strömungsgeschwindigkeit, ausgerüstet mit doppelten Kraftstoffkreisläufen, zu berücksichtigen. Dieser Typ Zerstäuber mit diskreten Strahlen könnte durch Ersetzen des Simplex-Einspritzmundstücks 50 mit entweder einem Duplex-Einspritzmundstück oder einem Einspritzmundstück mit Doppelöffnung konstruiert werden, das eine erweiterte Strömungsgeschwindigkeitskontrolle mit höherem Herunterregelverhältnis für den Kraftstoff erlaubt. Weiter braucht der Luftverwirbler, obwohl der Luftverwirbler als eine Reihe diskreter Öffnungen und Luftströme umfassend dargestellt ist, nur eine einzige Öffnung oder ein Paar von Öffnungen, wie beispielsweise ein Paar generell ringförmiger Öffnungen umfasst, die Flügel haben können oder auch nicht.
Wie oben bemerkt, könnte es erwünscht sein, den Luftverwirbler so anzuordnen, dass sich dort hindurchgehende Luftströme nicht schneiden. Aber es könnte ebenso erwünscht sein, den Luftverwirbler und den Kraftstoffverwirbler so anzuordnen, dass die durch den Luftverwirbler geleiteten Luftströme den Kraftstoffstrahlkegel 66 nicht durchschneiden oder durchkreuzen. Im Allgemeinen ist es erwünscht, dass die Luftströme angeordnet werden sich dem Kraftstoffstrahlkegel zu nähern und sich danach von diesem weg zu erstrecken, obwohl es in einigen Fällen vielleicht erwünscht ist, den Kraftstoffstrahlkegel zu schneiden, um den Strahl zum Steuern des Strahlwinkels zu kollabieren.
In einigen Luftverwirblern des Stands der Technik beeinträchtigen die Innenwand oder Komponenten des Luftverwirblers die Luftströme. Daher umfasst der Luftverwirbler 10, in der Ausführungsform der 7, eine gekrümmte Innenwand 70, die der Bahn der projizierten Luftströme 72 entspricht. Insbesondere ist die Innenwand 70 vorzugsweise in Bezug auf die Zentralachse 12 des Luftverwirblers 10 konvex, um sicherzustellen, dass die Luftströme 72 glatt über die Wand 70 strömen. Dieses krummlinige Design der Innenfläche 70 ermöglicht den Zerstäubungsluftströmen 72 voll in den flüssigen Kraftstofffilm 66 im Innern des Luftverwirblers 10 einzugreifen, um eine vorgemischte Kraftstoff/Luftmischung zu bilden. Obwohl der Luftverwirbler der 7 nur einen einzigen Satz Öffnungen 44 umfasst, können mehrfache Gruppen oder Sätze Öffnungen im Luftverwirbler 10 der 7 inbegriffen sein.
Die 8 veranschaulicht einen weiteren Verwirbler mit diskreten Strahlen, der eine gestufte Innenwand 80 und zwei Sätze Öffnungen 42, 44 umfasst. Der innere Satz Öffnungen 44 befindet sich an der inneren (hinteren) Etage 82 und der äußere Satz Öffnungen 42 befindet an der äußeren (vorderen) Etage 84. Auf diese Weise können die Sätze Öffnungen 42, 44 und entsprechende Pinch-Punkt-Stellen 46h, 48h axial und radial mit Abstand angeordnet werden, um die Erzeugung des erwünschten Strahlbilds zu erlauben. Beispielsweise sorgt die gestufte Wand 80 des Luftverwirblers 40 der 8 für Flexibilität in der Position der Öffnungen 42, 44 derartig, dass sich die Öffnungen 42, 44 im richtigen Winkel und in der richtigen radialen Position positioniert werden können, um Bild der Luft zu produzieren. Obwohl die 8 nur zwei Etagen 82, 84 und zwei Sätze Öffnungen 42, 44 darstellt, können eine größere Zahl Etagen und/oder Sätze Öffnungen verwendet werden.
Die Projektion der Luftströme 48, die durch die inneren Öffnungen 44 geleitet werden, könnte einen Pinch-Punkt 48h haben, der sich im Innern des Luftverwirblers 10 befindet (d. h., axial nach innen gerichtet mit Abstand vom äußersten Teil 88 der Frontfläche 16 angeordnet) und die Projektion der Luftströme 46, die durch die äußeren Öffnungen 42 geleitet werden, könnte einen Pinch-Punkt 46h haben, der sich außerhalb des Körpers des Luftverwirblers 10 befindet. Die Bahnen der Projektionen der zwei Luftströme 46, 48 könnten generell parallel zueinander entlang der Zentralachse 12 sein, um den Strahlwinkel bei variierenden Bedingungen konstant zu halten.
Die 9 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zwei Luftverwirblerkomponenten 90, 92 umfasst, die mit einem Kraftstoffverwirbler 95 in Form eines ringförmigen Prefilming-Einspritzelements verwendet werden. Die innere Luftverwirblerkomponente 92 umfasst einen Satz Öffnungen 94, der Luftströme 98 produziert und der äußere Luftverwirbler 90 umfasst zwei konzentrische Sätze Öffnungen 96, 101. Mithilfe der Luftverwirblerkomponenten 90, 92 stößt der Kraftstoffverwirbler 95 einen Kraftstoffstrahl 97 aus, der sich zwischen den Luftströmen 98 der inneren Luftverwirblerkomponente 92 und den Luftströmen 100, 102 der äußeren Luftverwirblerkomponente 90 befindet.
Der Kraftstoffverwirbler 95 der 9 könnte ein gut bekanntes Prefilming-Kraftstoffeinspritzelement sein. Insbesondere könnte der Kraftstoffverwirbler 95 an eine Kraftstoffföderleitung 104 gekoppelt werden, die Kraftstoff durch einen kurvenreichen Durchgang 106 zu einem einer Mehrheit von Spinschlitzen 108 und in eine ringförmige Kraftstoffgallerie 110 liefert. Der Kraftstoff, der eine Spiral- oder Verwirbelgeschwindigkeit haben kann, wird dem Kraftstoff durch die Spinschlitze 108 mitgeteilt, wonach der Kraftstoff einen Prefilmer-Bereich 112 erreicht, der dem flüssigen Film erlaubt sich als Film anzuhaften und sich für gleichmäßige Freisetzung in der Umfangsrichtung vorzubereiten. Die inneren Luftströme 98 prallen dann auf die innere Oberfläche des flüssigen Films auf und greifen diese an und die äußeren Luftströme 100, 102 prallen auf die äußere Oberfläche des flüssigen Films auf und greifen diese an, um einen Kraftstoffstrahl 97 herzustellen und den Kraftstoffstrahl auf die erwünschte Weise zu dispergieren. In der Ausführungsform der 9 könnte es, auf dieselbe Weise wie oben erörtert, erwünscht sein, dass sich jeder der Luftströme 98, 100, 102 nicht schneidet oder, dass sich die Luftströme 98, 100, 102 in einer ausreichenden Distanz in der Stromabwärtsrichtung miteinander vereinen.
Nach der ausführlichen Beschreibung der Erfindung und mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen wird es offenkundig sein, dass Modifikationen und Variationen davon möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung, wie durch die Ansprüche 1 bis 16 definiert, abzuweichen.

Claims

Zerstäuber, umfassend: Eine Kraftstoffausgabepartie (50), die geformt ist eine Ausgabe von Kraftstoff (66) bereitzustellen; und Ein Luftverwirblerteil (40), das geformt ist, Luftströme (46, 48) auf den Kraftstoff (66) zu lenken, wobei das Luftverwirblerteil (40) eine äußere Öffnung (42) und eine innere Öffnung (44) umfasst, die relativ zur äußeren Öffnung (42) radial nach innen gerichtet positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren (44) und äußeren (42) Öffnungen so angeordnet sind, dass ein durch die innere Öffnung (44) vergangener Luftstrom (48) radial nach innen gerichtet konvergiert, einen konischen Abschnitt nicht schneidet, der durch einen durch die äußere Öffnung (42) vergangenen Luftstrom (46) definiert ist, der radial nach innen gerichtet konvergiert, es sei denn, dass an einem Kniffpunkt (24) beide der Luftströme (46, 48) beginnen, sich mindestens teilweise radial nach außen zu bewegen.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei das Luftverwirblerteil geformt ist, Luftströme auf den Kraftstoff zu lenken, nach dem die Ströme gänzlich durch das Luftverwirblerteil hindurchgehen.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei die inneren und äußeren Öffnungen so angeordnet sind, dass die durch diese hindurchgegangenen Luftströme anfänglich mindestens teilweise radial nach innen gerichtet werden.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei der Zerstäuber eine Zentralachse hat und wobei eine Zentralachse jeder Öffnung einen spitzen Winkel mit einer Zentralachse des Verwirblerteils bildet.
Zerstäuber nach Anspruch 4, wobei das Kraftstoffausgabeteil geformt ist, einen Spray von Kraftstoff zu schaffen, der sich in einer stromabwärts gelegenen axialen Richtung bewegt.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei das Luftverwirblerteil eine Mehrheit äußerer Öffnungen, die in einer Konfiguration angeordnet sind und einen Satz innerer Öffnungen, die in einer Konfiguration angeordnet sind umfasst, die generell konzentrisch mit dem Satz äußerer Öffnungen ist.
Zerstäuber nach Anspruch 6, wobei der Zerstäuber eine Zentralachse aufweist und jede der inneren und äußeren Öffnungen jeweils in einem generell kreisförmigen Muster um die Zentralachse angeordnet ist und, wobei jede Öffnung des inneren und äußeren Satzes von Öffnungen radial mit Abstand von irgendwelchen angrenzenden Öffnungen angeordnet ist.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoffausgabeteil eine Öffnung umfasst, durch die Kraftstoff geleitet werden kann, um einen Kraftstoffspray zu schaffen, wenn Kraftstoffspray dadurch vergangen ist.
Zerstäuber nach Anspruch 8, wobei das Kraftstoffausgabeteil geformt ist einen generell kegelförmigen Kraftstoffspray zu schaffen, wenn Kraftstoffspray dadurch vergangen ist.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoffausgabeteil eine Simplex-, Duplex-, Dualöffnung oder ein ringförmiges Prefilming-Zerstäubermundstück umfasst.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei der Zerstäuber ein äußeres Wandteil umfasst, dass angrenzend an die Öffnung positioniert ist, die äußere Wand generell gekrümmt ist und ein konvexes Teil aufweist, das generell dem Weg eines durch die äußere Öffnung vergangenen Luftstroms entspricht.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei das Luftverwirblerteil eine generell gestufte Innenfläche umfasst, die eine innere Ebene und eine äußere Ebene aufweist und wobei sich die innere Öffnung auf der inneren Ebene befindet und sich die äußere Öffnung auf der äußeren Ebene befindet.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei die äußere Öffnung größer als die innere Öffnung ist.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei dem Zerstäuber irgendeine physikalische Struktur fehlt, die die Strömung irgendwelcher Luftströme stört oder blockiert, die durch die Öffnungen hindurchgegangen sind.
Zerstäuber nach Anspruch 1, wobei die Luftströme, die durch die Öffnungen hindurchgegangenen sind, einem generell hyperbolischen Weg für eine Distanz von mindestens dem radialen Versatz des äußeren Öffnungssatzes folgen.
Verfahren zum Entwerfen eines Luftverwirblers (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und mit einem Körper für das Kraftstoffausgabeteil und das Luftverwirblerteil mit einer Zentralachse (12) und einer Stirnfläche (16), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Selektieren eines radialen Versatzes (a) jeder Öffnung (44, 42) relativ zur Zentralachse (12); Selektieren einer Kniffpunktdistanz (h) für einen durch die Öffnungen (44, 42) vergangenen Luftstrom (48, 46), wobei sich die Kniffpunktdistanz (h) entlang der Zentralachse (12) befindet und mit Abstand von der Stirnfläche (16) angeordnet ist; Selektieren eines winkligen Versatzes (θ) jeder der Öffnungen (44, 42) relativ zur Zentralachse (12); und Verwenden des radialen Versatzes (a), der Kniffpunktdistanz (h) und des winkligen Versatzes (θ), um den Weg der Luftströme (48, 46) zu ermitteln, die durch die Öffnungen (44, 42) hindurchgehen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der ermittelnde Schritt die Ermittlung der Projektion des Wegs eines Luftstroms durch jede der Öffnungen beruhend auf einer Hyperbelgleichung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Hyperbelgleichung lautet:
wobei a den radialen Versatz der Öffnungen repräsentiert, h die Kniffpunktdistanz repräsentiert, θ den Winkelversatz der Öffnungen repräsentiert und b dabei a/(tan θ) ist.
Verfahren nach Anspruch 17, das weiter den Schritt der Wiederholung der Selektierung und Ermittlungsschritte umfasst, um den Weg von Luftströmen für eine Mehrheit verschiedener Werte für den radialen Versatz, den Kniffpunkt und den Winkelversatz zu ermitteln, sowie das Selektieren gewählter Werte der Werte umfasst, die einen erwünschten Weg der Luftströme bereitstellen.