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Publication number: DED0016523MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 7. Dezember 1953 Bekanntgemacht am 31. Oktober 1956Date of registration: December 7, 1953 Advertised on October 31, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Zerstäubung und Mischung von Brennstoff mit Druckluft an Brennkammern, insbesondere für Brennkraftturbinen, mit einer Zerstäubungsdüse, bei der unmittelbar vor der Düsenmündung dem Brennstoff Druckluft beigemischt und der Brennstoff bzw. das Brennstoff-Luft-Gemisch vor dem Austritt aus der Düsenmündung in Drehung um die Achse der Düsenmündung versetzt wird.The invention relates to a device for atomizing and mixing fuel with Compressed air to combustion chambers, especially for internal combustion turbines, with an atomizing nozzle, when compressed air is added to the fuel and the fuel is added to the fuel immediately in front of the nozzle opening or the fuel-air mixture before exiting the nozzle orifice in rotation the axis of the nozzle mouth is offset.

Ziel der Erfindung ist eine besonders feine und vollständige Zerstäubung und Mischung von Brennstoff und Luft.The aim of the invention is a particularly fine and complete atomization and mixing of fuel and air.

Das geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Düsenmündung trichterförmig mit großem Kegelwinkel von 120 bis i8o° ausgebildet ist und in eine flache scheibenförmige Führungsfläche über geht, welche in einem ringförmigen Luftkanal derart angeordnet ist, daß das sich über die Führungsfläche verbreitende, rotierende Brennstoff-Luft-Gemisch, .etwa tangential mit der aus dem ringförmigen Luftkanal austretenden Luft zusammengeführt wird, wobei die Wandung der Brennkammer als Außenwand des ringförmigen Luftkanals und zur Umlenkung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem Wirbel benutzt wird.This is done according to the invention in that the nozzle mouth is funnel-shaped with a large cone angle is formed from 120 to 180 ° and into a flat, disc-shaped guide surface goes, which is arranged in an annular air duct in such a way that the rotating fuel-air mixture spreading over the guide surface, . Merged approximately tangentially with the air emerging from the annular air duct is, the wall of the combustion chamber as the outer wall of the annular air duct and used to divert the fuel-air mixture into a vortex.

Bei einer bekannten Einrichtung zur Zerstäubung und Mischung von Brennstoff und Druckluft, bei welcher dem Brennstoff vor dem Austritt aus der Düsenmündung eine Drehbewegung erteilt wird, fehlt einerseits die weitkegelige.Mündungsöffnung und andererseits die Führung des brennenden Luft-Brennstoff-Gemisches über eine flache Führungsfläche und seine Zusammenführung mit einem äußeren ringförmigen Luftstrom. Die enge Aus-In a known device for atomizing and mixing fuel and compressed air, at which is given a rotary motion to the fuel before it emerges from the nozzle mouth, On the one hand the wide conical mouth opening is missing and on the other hand the guidance of the burning one is missing Air-fuel mixture over a flat guide surface and its merging with a outer annular airflow. The close range

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trittsöffnumg vermindert zudem die Ausbreitung des Brennstoff-Luft-Gemisches über die ebene Vorderfläche der Düse und damit die allseitige Verteilung in der Brennkammer. Infolgedessen kann mit der bekannten Einrichtung auch nicht die erfindungsgemäß erzielbare besonders günstige Durchmischung von Luft und Brennstoff herbeigeführt werden.Step opening also reduces the spread of the fuel-air mixture over the flat front surface of the nozzle and thus the all-round distribution in the combustion chamber. As a result, with the known device can also not be used according to the invention achievable particularly favorable mixing of air and fuel brought about will.

Vorzugsweise werden sowohl Luft und Brennstoff vor der vor der Düsenmündung angeordneten Mischungsstelle in — gegebenenfalls entgegengesetzte — Umdrehung versetzt.Preferably, both air and fuel are arranged in front of the one in front of the nozzle orifice Mixing point offset in - possibly opposite - rotation.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zur Ausbildung der Drehbewegung von Luft bzw. Brennstoff der Düsenmündüng an sich bekannte scheibenförmige Räume vorgeschaltet.According to a further feature of the invention are to form the rotary motion of air or fuel upstream of the nozzle mouth, known per se, disk-shaped spaces.

Bei einer bekannten Düse, bei welcher scheibenförmige Räume zur Drallerzeugung bzw. Mischung von Luft und Brennstoff fehlen, verengert sich, im Gegensatz zur Erfindung der Brennstoffdrallerzeugungsraum trichterförmig, so daß die Drallenergie dadurch wieder weitgehend verlorengeht und sich nicht dem Luftstrom mitteilen kann. Demgemäß fehlt auch das Merkmal eines aus der Düse äustretenden rotierenden Luft-Brennstoff-Gemisches sowie einer Zusammenführung dieses Gemisches mit einer durch einen äußeren ringförmigen Kanal zutretenden Luft.In a known nozzle in which disk-shaped spaces for generating or mixing swirl There is a lack of air and fuel, in contrast to the invention, the fuel swirl generating space narrows funnel-shaped, so that the swirl energy is largely lost again and becomes can not communicate to the airflow. Accordingly, the feature of an emerging from the nozzle is also absent rotating air-fuel mixture and a merging of this mixture with air entering through an outer annular channel.

Bei einer weiteren bekannten Einrichtung ragen die Brennstoff- und Luftdüsenmundstücke ohne kegelförmige Erweiterung mit großem Kegelwinkel frei in die Brennkammer hinein. Obwohl Brennstoff und Luft gegenläufig zueinander rotieren, kann daher nicht die gemäß der Erfindung angestrebte gute Durchmischung von Brennstoff und Luft· erzielt werden. Ebenso fehlt hierbei sowohl eine äußere scheibenförmige Führungsfläche als auch ein zusätzlicher ringförmiger Luftstrom, welcher sich mit dem über die Führungsfläche verbreitenden Luft-Brennstoff-Gemisch vereinigt.In another known device, the fuel and air nozzle mouthpieces protrude without Conical extension with a large cone angle freely into the combustion chamber. Even though The fuel and air can therefore not rotate in opposite directions to one another according to the invention desired good mixing of fuel and air · can be achieved. Likewise, both are missing here an outer disc-shaped guide surface as well as an additional annular air flow, which unites with the air-fuel mixture spreading over the guide surface.

Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht ferner darin, daß der engste Durchmesser der Mündungsöffnung mindestens auf dem Kegel oder außerhalb ' des Kegels liegt, welcher durch die divergierende Mündungsöffnung des Drallraumes für den Brennstoff gebildet wird, im Gegensatz zu einer bekannten Anordnung, bei welcher eine konvergierende kegelförmige Austrittsöffnung für den Brennstoff verwendet wird, und infolgedessen die ausbreitende Wirkung des Brennstoffkegels auf die ringförmig zugeführte Luft wie im Falle der Erfindung nicht erzielbar ist.Another feature of the invention is that the narrowest diameter of the mouth opening at least on the cone or outside ' of the cone, which through the diverging orifice opening of the swirl space for the fuel is formed, in contrast to a known arrangement in which a converging conical outlet opening is used for the fuel, and consequently the spreading one Effect of the fuel cone on the air supplied in the form of a ring, as in the case of the invention, does not is achievable.

Des weiteren sieht die Erfindung einen tellerrandartigen, die Düsenmündüng umgebenden Führungskörper mit scharfer Außenkante vor, an welcher die Flamme' mit der auf der Rückseite des Führungskörpers zugeleiteten Verbrennungsluft zusammengeführt wird.Furthermore, the invention provides a plate rim-like guide body surrounding the nozzle mouth with a sharp outer edge in front of which the flame 'with that on the back of the Guide body supplied combustion air is brought together.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigtIn the drawing, an embodiment of the invention is shown, namely shows

Fig. ι einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Düse undFig. Ι an axial section through an inventive trained nozzle and

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1.FIG. 2 shows a section along line 2-2 of FIG. 1.

Zur Zuführung des Brennstoffes dient ein Düsenrohr 10 mit der axialen Bohrung 11, zur Zufüh- rung der Zerstäubungsluft ein hierzu konzentrisches Rohr 12, dem die Druckluft durch einen Ringraum 13 zugeführt wird. Das Rohr 12 ist in den Düsenkörper 14 eingeschraubt, der seinerseits in den zur Brennkammer 32 führenden Luftkanal 15 für die Verbrennungsluft konzentrisch eingesetzt ist. Das obere Ende des Rohres 10 ist durch eine Querwand 16 abgeschlossen und mit Bohrungen 17 versehen, die in einen Ringraum 18 einmünden, welcher durch eine auf das Rohr 10 aufgeschraubte Kappe 19 gebildet wird. In dem oberen, über die Querwand 16 hinausragenden Ende des Rohres 10 sind Nuten 20 eingearbeitet, welche , tangential in den scheibenförmigen Drallraum 21 einmünden, der zwischen der Querwand 16 :und der oberen Abschlußwandung 22 der Kappe 19 gebildet wird. Durch eine sich kegelförmig erweiternde Öffnung 23 ist der Drallraum 21 nach oben geöffnet.A nozzle pipe 10 with the axial bore 11 is used to feed the fuel. tion of the atomizing air is a concentric tube 12 to which the compressed air flows through an annular space 13 is supplied. The tube 12 is in the nozzle body 14 screwed, in turn in the air duct 15 leading to the combustion chamber 32 for the Combustion air is used concentrically. The upper end of the tube 10 is through a transverse wall 16 completed and provided with bores 17 which open into an annular space 18, which is formed by a cap 19 screwed onto the tube 10. In the upper one, over the transverse wall 16 projecting end of the tube 10 grooves 20 are incorporated which, tangentially in the Disc-shaped swirl space 21 open out between the transverse wall 16: and the upper end wall 22 of the cap 19 is formed. Through a conically widening opening 23, the swirl chamber 21 is open at the top.

In ähnlicher Weise ist der Ringkanal 13 des Rohres 12 durch eine ringförmige Abschlußwandung 24 axial abgeschlossen und durch radiale Öffnungen 25 mit dem Ringraum 26 verbunden, der zwischen dem oberen Ende des Rohres 12 und des Düsenkörpers 14 gebildet wird. In das über die Abschlußwandung 24 hinausragende Ende des go Rohres 12 sind schräge Nuten 27 eingearbeitet, und zwar zweckmäßig schräg entgegengesetzt den Nuten 20, derart, daß sie tangentiale Durchtrittsbohrungen zu dem Ringraum 28 bilden, der als Drallraum für die Zerstäubungsluft dient.In a similar way, the annular channel 13 of the Tube 12 closed axially by an annular end wall 24 and by radial Openings 25 connected to the annular space 26 between the upper end of the tube 12 and of the nozzle body 14 is formed. In the end of the go projecting beyond the end wall 24 Tube 12 inclined grooves 27 are incorporated, appropriately at an angle opposite the Grooves 20, such that they form tangential through bores to the annular space 28, which as Swirl space for the atomization air is used.

Die tangentialen Durchtrittsöffnungen 27 und der Drallraum 28 werden durch eine Abschlußwandung 29 am Düsenkörper 14 gegen die Brennkammer abgeschlossen, wobei sie zwischen der Abschlußwandung 22 des Drallraumes 21 und der Abschlußwandung 29 des Düsenkörpers einen scheibenförmigen Raum oder Ringspalt 30 bilden, in welchen der Drallraum 21 mittels der kegelförmigen Mündung 23 einmündet. Der Raum 30 mündet seinerseits durch eine kegelförmige Öffnung 31 in die Brennkammer 32 aus, wobei der Kegelwinkel der Düsenöffnung 31 größer als der Kegelwinkel der Düsenmündung 23 ist, zwischen 120 lind i8o° liegt, und die engste Stelle der Düsenmündung 31 einen solchen Durchmesser hat, daß dieser etwa in der Verlängerung des durch die Düsenmündurig 23 bestimmten Kegels liegt.The tangential passage openings 27 and the swirl space 28 are formed by an end wall 29 completed on the nozzle body 14 against the combustion chamber, with it between the end wall 22 of the swirl chamber 21 and the end wall 29 of the nozzle body have a disk-shaped shape Form space or annular gap 30 in which the swirl space 21 by means of the conical Mouth 23 opens. The space 30 in turn opens through a conical opening 31 in the combustion chamber 32 from, wherein the cone angle of the nozzle opening 31 is greater than the cone angle the nozzle orifice 23 is between 120 and 180 ° is, and the narrowest point of the nozzle orifice 31 has such a diameter that this is approximately in the extension of the cone determined by the nozzle mouth 23.

Auf der Außenseite des Düsenkörpers 14 ist ein Führungs- oder Ablenkkörper 33 aufgeschraubt, dessen Oberseite 34 ungefähr bündig mit der brennkammerseitigen Stirnfläche der Abschlußwandung 29 liegt und mit der Führungswandung 35 für die durch den Kanal 15 zutretende Verbrennungsluft eine scharfe Umfangskante 36 bildet.On the outside of the nozzle body 14 is a Guide or deflection body 33 screwed, the top 34 approximately flush with the the end face of the end wall 29 on the combustion chamber side and with the guide wall 35 forms a sharp peripheral edge 36 for the combustion air entering through channel 15.

Der Brennstoff wird durch die Leitung 11 axial der Düse zugeführt, indem er durch die Bohrungen 17, den Ringraum 18 und die tangentialen Nuten oder Bohrungen 20 in den Drallraum 21 übertritt. Infolge der Zentrifugalwirkung strebt er bei seinem Austritt aus der Düse 23 nach außen, so .daß ein in die Brennkammer 32 austretender, rotierenderThe fuel is axially through the line 11 fed to the nozzle by passing through the bores 17, the annular space 18 and the tangential grooves or bores 20 pass into swirl space 21. As a result of the centrifugal effect, he strives at his Exit from the nozzle 23 to the outside, so that a rotating one exiting into the combustion chamber 32

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schirmförmiger Brennstoffschleier erzeugt wird. In ähnlicher Weise wie der Brennstoff wird die unter Druck stehende Zerstäubungsluft zugeleitet. Die durch den Ringkanal 13 zutretende Luft gelangt über die Öffnungen 25 in den Ringraum 26 und von dort durch die tangentialen Öffnungen 27 in den Drallraum 28, 30, derart, daß ihr in diesem ein dem Drall des Brennstoffes entgegengesetzter Drall erteilt wird. Der in die Brennkammer austretende Brennstoff wird hierbei von der entgegengesetzt rotierenden Luft erfaßt, wodurch eine innige Mischung von Brennstoff und Luft stattfindet und die aus den Kraftstoffdüsen austretenden Brennstofftröpfchen wirksam zerstäubt werden.umbrella-shaped fuel veil is generated. In a similar way to the fuel that is used supplied pressurized atomizing air. The air entering through the annular channel 13 passes via the openings 25 into the annular space 26 and from there through the tangential openings 27 in the swirl chamber 28, 30, in such a way that you have a swirl of the fuel opposite in this Twist is granted. The fuel that escapes into the combustion chamber is opposed to that detected rotating air, whereby an intimate mixture of fuel and air takes place and the fuel droplets exiting the fuel nozzles are effectively atomized.

Wie Versuche gezeigt haben, kann insbesondere bei richtiger Bemessung des durch den Drallraum 28 gebildeten Ringspaltes 30 und der Austrittsmündung 31 der Luftdüse erreicht werden, daß sich das austretende Brennstoff-Luft-Gemisch bzw. die hierbei entstehende Flamme radial in Pfeilrichtung . 38 ausbreitet, wobei sich der Gemischschleier bzw. die Flamme dicht an der Oberfläche 34 des Führungskörpers 33 hält. An der Außenkante 36 des Führungskörpers trifft sie etwa bei 39 mit der auf der Außenseite 35 des Führungskörpers entlangströmenden Verbrennungsluft zusammen, was eine intensive Mischung der Verbrennungsluft mit dem radial zuströmenden, teilweise brennenden Gemisch zur Folge hat.As tests have shown, the swirl space can, in particular, be correctly dimensioned 28 formed annular gap 30 and the outlet opening 31 of the air nozzle can be achieved that the exiting fuel-air mixture or the resulting flame radially in the direction of the arrow . 38 spreads, with the mixture veil or the flame close to the surface 34 of the guide body 33 holds. At the outer edge 36 of the guide body, it meets approximately at 39 with the the outside 35 of the guide body flowing along the combustion air together, what a intensive mixing of the combustion air with the radially inflowing, partially burning mixture has the consequence.

Infolge der radialen Ausbreitung des Gemisches bzw. der Flamme in Richtung 38 entsteht im Innern der Flamme ein Unterdruck, wodurch Luft von außen in das Zentrum der Flamme nachströmt, wie etwa bei 40 angedeutet ist. Die Mischung der Verbrennung kann dadurch noch intensiver gestaltet werden. Infolge der langen Zeit, während derer jedes einzelne Brennstofftröpfchen sich in der Brennzone der Brennkammer befindet, wird ein besonders günstiger Ausbrennungsgrad des Brenn-Stoffes erreicht.As a result of the radial expansion of the mixture or the flame in direction 38 arises in the interior the flame a negative pressure, whereby air flows from the outside into the center of the flame, as indicated approximately at 40. The mixture of the combustion can be made even more intense will. Due to the long time that every single fuel droplet is in the The combustion zone of the combustion chamber is a particularly favorable degree of burnout of the fuel achieved.

Mit wachsender Verbrennungsluftmenge werden zwar die in Pfeilrichtung 38 nach außen strömenden Gemischmengen stärker nach innen abgelenkt, so daß statt einer teller- oder flachschalenförmigen Ausbreitung eine mehr kugelförmige Ausbreitung des Brennstoff-Luft-Gemisches bzw. der Flamme erzielt wird. Doch bleibt auch in diesem Fall die schalenförmige Gemisch- bzw. Flammenströmung grundsätzlich erhalten.As the amount of combustion air increases, the air flowing outward in the direction of arrow 38 will be Mixture quantities are more strongly deflected inwards, so that instead of a plate-shaped or flat-bowl-shaped one Spread a more spherical spread of the fuel-air mixture or the flame is achieved. But even in this case the bowl-shaped mixture or flame flow remains basically received.

Claims

PATENT CLAIMS:

ι. Device for atomizing and mixing fuel with compressed air in combustion chambers, especially for internal combustion turbines, with a fuel atomization nozzle, in which directly Compressed air is added to the fuel in front of the nozzle opening and the fuel or the fuel-air mixture rotates around the before exiting the nozzle orifice Axis of the nozzle mouth is offset, characterized in that the nozzle mouth is funnel-shaped with a large cone angle of 120 to 180 ° and in a flat disk-shaped Guide surface merges, which is arranged in an annular air duct is that the rotating fuel-air mixture spreading over the guide surface merged approximately tangentially with the air emerging from the annular air duct is, the wall of the combustion chamber as the outer wall of the annular Air duct and is used to deflect the fuel-air mixture into a vortex.

2. Device according to claim 1,. characterized in that both air and fuel in front of the mixing point arranged in front of the nozzle orifice in - possibly opposite - Rotation can be offset.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that for the formation of the Rotational movement of air or fuel

. Disk-shaped spaces known per se are connected upstream of the nozzle orifice.

4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that the narrowest diameter the mouth opening (31) is at least on the cone or outside the cone, which through the diverging mouth opening (23) of the swirl space (21) for the Fuel is formed.

5. Device according to claim 1 to 4, characterized by a plate rim-like guide body (33) surrounding the nozzle opening (29) and having a sharp-edged outer edge (36), on which the flame is fed to the back (35) of the guide body (33) Combustion air is merged.

Considered publications:
French patent specification No. 963 507,

135;

U.S. Patents No. 2'63S 425, 2,551,276, 2434815; '

Interavia, Vol. 7, 1952, No. 7, p. 398;

Motor und Gasturbine, Vol. 2, 1950, No. 4, p. 58; Engineering, Vol. 169, 1950, No. 4403, p. 6jj.

1 sheet of drawings