EP4737802A1

EP4737802A1 - Düse zur zufuhr von luft und flüssigem kraftstoff in eine brennkammer und triebwerk

Info

Publication number: EP4737802A1
Application number: EP25213003.4A
Authority: EP
Inventors: Gregor Christoffer GEBEL; Carsten Clemen; Thomas Dörr
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2024-11-05
Filing date: 2025-11-03
Publication date: 2026-05-06
Also published as: DE102024132232A1; US20260126174A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer (28), insbesondere eines Triebwerks eines Flugzeugs, mit einem entlang einer Düsenlängsachse (M) ausgerichteten Düsenhauptkörper (10), in welchem angeordnet sind:
- zumindest ein auf der und/oder um die Düsenlängsachse (M) verlaufender, erster Luftkanal (14),
- zumindest ein radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den ersten Luftkanal (14) angeordneter Kraftstoffkanal (16), der einen axial-radial in Strömungsrichtung in Richtung Düsenlängsachse (M) verlaufenden, stromabseitigen Endabschnitt (162) aufweist, und
- zumindest ein radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den Kraftstoffkanal (16) angeordneter zweiter Luftkanal (121),
wobei der Kraftstoffkanal (16) mit einer Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) an einer daran anschließenden, zumindest im Wesentlichen axial ausgerichteten Filmlegerfläche (20) mit einer stromabseitigen Abströmkante (22) mündet, wobei die Filmlegerfläche (20) den ersten Luftkanal (14) stromabseitig umgrenzt. Die Kraftstoffzerstäubung wird dadurch verbessert, dass eine Länge (L) der Filmlegerfläche (20), zwischen der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) und der Abströmkante (22), zwischen einem Faktor 5 und 6, vorzugsweise einen Faktor 5,5, mal einer Höhe (H) des Endabschnitts (162) des Kraftstoffkanals (16) beträgt (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer, insbesondere eines Triebwerks eines Flugzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Triebwerk.
Eine derartige Düse, die gemäß ihrem Wirkprinzip den Luftstrahlzerstäuberdüsen zugeordnet ist, ist in der DE 10 2017 218 529 A1 angegeben. Dabei sind um einen zentralen Luftkanal ein ringförmiger Kraftstoffkanal und um diesen wiederum zwei radial versetzte, ringförmige Luftleitkanäle vorhanden. Bei Austreten des Kraftstoffes auf die Filmlegerfläche wird der Kraftstofffilm von der vorbeiströmenden Luft des zentralen Luftkanals in Richtung Abströmkante transportiert und nach Abströmen zwischen dem zentralen Luftstrom und einem der äußeren Luftströme in feine Tröpfchen zerstäubt.
Eine weitere Düse dieser Art ist aus der US 9 423 137 B2 bekannt. Bei dieser bekannten Düse zur Zugabe von flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer sind mehrere radial versetzte Kraftstoffkanäle vorhanden, über welche Kraftstoff in unterschiedliche Luftkanäle zugegeben wird.
Weitere Düsen zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer sind aus der US 2014/0241871 A1 , der US 2020/0141582 A1 , der US 2022/0099290 A1 , der US 2016/0047315 A1 und der US 2010/0229556 A1 bekannt.
Untersuchungen mittels hochaufgelöster Strömungssimulationen haben gezeigt, dass der Abströmvorgang des Kraftstoffes von der Filmlegerfläche, zum Teil periodischen, Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen bestehen zum einen in dem Aufbau und Kollabieren von Kraftstoffwellen infolge der Wechselwirkung mit der überströmenden Luft an der Kraftstoff-Austrittsöffnung. Auf diese Weise können sich beim Verlassen der Abströmkante große flüssige Stromfäden bilden, die weiter stromab zu relativ großen Tropfen zerfallen. Zum anderen ergeben sich Schwankungen aufgrund wellenförmiger Belegung der Filmlegerfläche mit aus der Kraftstoff-Austrittsöffnung austretendem Kraftstoff. Infolge der Schwankungen im Kraftstoffmassenstrom und der resultierenden Tröpfchengrößenverteilung können im Zusammenhang mit der Flammendynamik stehende Druckschwankungen/Thermoakustik auftreten und die Schadstoffbildung innerhalb der Brennkammer negativ beeinflusst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse für einen stabilen und schadstoffarmen Betrieb einer Brennkammer, sowie ein stabil und schadstoffarm betreibbares Triebwerk bereitzustellen.
Die Erfindung wird für die Düse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Triebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bei der Düse ist vorgesehen, dass eine Länge der Filmlegerfläche, zwischen der Kraftstoff-Austrittsöffnung und der Abströmkante, einen Faktor 5 bis 6, vorzugsweise einen Faktor 5,5, mal einer Höhe des Endabschnitts des Kraftstoffkanals beträgt. Der Kraftstoffkanal ist vorzugsweise zumindest innerhalb des Endabschnitts ringförmig umlaufend ausgebildet. Als Höhe wird vorliegend der (ggf. maximale) Abstand zwischen einer radial innenseitigen Wandfläche und einer radial außenseitigen Wandfläche des Endabschnittes bezeichnet, der sich orthogonal zu einer mittig zwischen diesen beiden Wandungen verlaufenden Mittellängsfläche ergibt. Die Höhe innerhalb des Endabschnittes ist in Strömungsrichtung vorzugsweise zumindest im Wesentlichen (beispielsweise abgesehen von Übergangsabschnitten, wie nach Übergang des Kraftstoffkanals von dem axialen Abschnitt in den Endabschnitt) konstant.
Die Düse ist insbesondere zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei die Länge der Filmlegerfläche unter Bildung einer um die Düsenlängsachse umlaufenden Ringfläche vorzugsweise konstant ist.
Die Filmlegerfläche ist, vorzugsweise vollständig, angrenzend an den ersten Luftkanal, zur Überströmung mit einem durch den ersten Luftkanal strömenden Luftstrom, angeordnet. Die vergleichsweise lange Filmlegerfläche ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Impulsübertragung der Luftströmung innerhalb des ersten Luftkanals auf den Kraftstofffilm. Der Kraftstofffilm wird stärker beschleunigt und erreicht die Abströmkante mit höherer (auf den Düsenkörper bezogener) Strömungsgeschwindigkeit. Bei Erreichen der Abströmkante weist der Kraftstofffilm eine geringere radiale Dicke auf. Dies trägt zur Bildung der kleineren Kraftstoffligamente bei Abreißen des Kraftstoffes von der Abströmkante bei, wodurch eine Akkumulation von Kraftstoff aus dem Gesamtmassenstrom an einer einzelnen Austrittsöffnung reduziert oder verhindert wird. Wellenbildung bzw. Schwankungen im Kraftstoffmassenstrom werden deutlich verringert, was mit einer gleichmäßigeren Verbrennung verbunden mit deutlich erhöhter Stabilität und verringertem Schadstoffausstoß, insbesondere verringerter Rußbildung, einhergeht.
Weiterhin wirkt sich positiv auf die Kraftstoffzerstäubung aus, wenn die Filmlegerfläche derart axial-radial in einem (insbesondere konstanten) Winkel zwischen 5° und 15° gegenüber der Düsenlängsachse geneigt ist, dass sie in Strömungsrichtung in Richtung der Düsenlängsachse verläuft. Auf diese Weise konvergiert der erste Luftkanal im Bereich der Filmlegerfläche in Strömungsrichtung unter Bildung einer Art Ringkonus.
Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass der stromabseitige Endabschnitt derart axial-radial in einem Winkel zwischen 25° und 35° gegenüber der Düsenlängsachse geneigt ist, dass er in Strömungsrichtung in Richtung zur Düsenlängsachse verläuft.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Austrittsfläche der Kraftstoff-Austrittsöffnung orthogonal zu der Düsenlängsachse oder orthogonal zu einer Mittellängsfläche des Endabschnitts oder zwischen diesen beiden Ausrichtungen ausgerichtet ist. Die Austrittsfläche erstreckt sich dabei zwischen einer, ggf. in Umfangsrichtung verlaufenden, düsenachsenseitigen Austrittskante und einer, ggf. umlaufenden, Übergangslinie zu der Filmlegerfläche. Auf diese Weise befindet sich die radiale Außenseite der Austrittsöffnung bezüglich der Düsenlängsachse auf gleicher Position oder weiter stromab als die radiale Innenseite der Austrittsöffnung, jedoch nicht stromauf. Auf diese Weise ist die Filmlegerfläche vollständig axial auf Höhe und/oder stromab eines den Kraftstoffkanal radial innenseitig begrenzenden Grundkörpers der Düse angeordnet, wodurch im Betrieb der Kraftstoff über einen großen Bereich der Filmlegerfläche, insbesondere über die gesamten Filmlegerfläche von der Luftströmung überströmt wird.
Für eine strömungsgünstige und dennoch möglichst stabile, langlebige Ausbildung ist axial auf Position der Kraftstoff-Austrittsöffnung (radial) zwischen dem ersten Luftkanal und der Kraftstoff-Austrittsöffnung eine sich radial zwischen einem Innenradius und einem Außenradius erstreckende, zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der Düsenlängsachse ausgerichtete, bezüglich der Filmlegerfläche stromaufseitige Flanke zwischen dem ersten Luftkanal und dem Kraftstoffkanal angeordnet, die eine (radiale) Höhe zwischen 0,15 mm und 0,25 mm aufweist. Die Flanke kann auch gerundet oder abgeschrägt ausgebildet sein. Der Innenradius entspricht somit der innersten radialen Position der Flanke, angrenzend an den inneren Luftkanal, und ist an einem stromabseitigen Ende des Endabschnitts und/oder des den ersten Luftkanal umgrenzenden Grundkörpers angeordnet. Vorzugsweise entspricht der Innenradius dem kleinsten Radius des Luftkanals. Der Außenradius entspricht der äußersten radialen Position der Flanke, radial innenseitig angrenzend an den Kraftstoffkanal, insbesondere an die Kraftstoff-Austrittsöffnung.
Vorzugsweise ist in diesem Zusammenhang die Abströmkante radial (d. h. bezüglich der radialen Position) zwischen dem Innenradius und dem Außenradius positioniert, d. h. R_i ≤ R (Abströmkante) ≤ R_a. Somit führt der konische Verlauf des ersten Luftkanals innerhalb des Abschnitts der Filmlegerfläche nicht zu einer Querschnittsverengung des ersten Luftkanals gegenüber dem Abschnitt mit dem Radius R_i.
In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist vorgesehen, dass axial auf Position der Abströmkante, radial zwischen der Filmlegerfläche bzw. dem ersten Luftkanal und dem zweiten Luftkanal, eine zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der Düsenlängsachse ausgerichtete, bezüglich der Filmlegerfläche stromabseitige Flanke angeordnet ist, welche eine (radiale) Höhe bis maximal 0,2 mm, z. B. zwischen 0,1 mm und 0,2 mm aufweist. Die Höhe ist insbesondere in Umlaufrichtung konstant. In Zusammenhang mit dem nach innen gerichteten Endabschnitt des Kraftstoffkanals wird so vorteilhaft eine möglichst scharfkantige Abströmkante ausgebildet, die zur Bildung möglichst kleiner Kraftstoffligamente und/oder Reduktion einer Kraftstoff-Reservoirbildung beiträgt. Die bevorzugte Höhe zwischen 0,1 mm und 0,2 mm dient zudem einer stabilen, langlebigen Ausbildung.
Für ein optimiertes Strömungsfeld innerhalb der Brennkammer sind vorzugsweise radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den Kraftstoffkanal zwei radial zueinander versetzte, z. B. zumindest abschnittsweise koaxial zueinander angeordnete, Luftkanäle angeordnet, innerhalb welcher vorzugsweise jeweils ein Drallerzeuger (Erzeugung einer Strömung mit überlagerter tangentialer Geschwindigkeitskomponente) angeordnet ist.
In diesem Zusammenhang weisen vorzugsweise die beiden Luftkanäle jeweils einen stromabseitigen Endabschnitt zur Mündung in die Brennkammer auf, der axial-radial in Richtung der Düsenlängsachse ausgerichtet ist. Die Endabschnitte können beispielsweise zumindest im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein. Vorzugsweise weist zumindest der innere, zweite Luftkanal eine steilere axial-radiale Ausrichtung auf als der Endabschnitt des Kraftstoffkanals.
Die durch die beiden äußeren Luftkanäle geleitete, verdrallte Luftströmung wird mittels der axial-radial ausgerichteten Endabschnitte radial einwärts gelenkt, wobei sie am stromabseitigen Ende der Filmlegerfläche mit der Luftströmung aus dem ersten Luftkanal zusammentrifft. Auf diese Weise ist der Kraftstoffstrom an der Abströmkante am stromabseitigen Ende der Filmlegerfläche in zwei Luftströme eingebettet und wird durch diese in feine Tröpfchen zerrissen. In der Ausführung mit drei Luftkanälen umfassend zwei radial außerhalb des Kraftstoffkanals angeordnete Luftkanäle prägt der radial am weitesten außen liegende Luftkanal, auch als "Dom-Luftpassage" bezeichnet, der Luftströmung bei vorhandenem Drallerzeuger ebenfalls einen Drall auf und leitet diese aufgrund des axial-radial ausgerichteten Endabschnitts zunächst radial einwärts. Diese Luftströmung bewirkt und/oder verstärkt, dass der Strom aus Luft (aus erstem und zweitem Luftkanal) und Kraftstoff (-Tröpfchen) bei Einströmen in die Brennkammer durch deren Drehimpuls sich ein Druckgradient so einstellt, dass der Luft-Kraftstoffstrom radial nach außen gezogen und somit ein verdralltes Hohlkegelspray generiert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Teil einer Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer schematisch im Längsschnitt gemäß dem Stand der Technik, mit einem (zentralen) ersten Luftkanal, einem Kraftstoffkanal und mit zwei äußeren Luftkanälen,
Fig. 2: einen Teil einer erfindungsgemäßen Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer schematisch im Längsschnitt, mit einer verlängerten und axial-radial in Strömungsrichtung nach innen geneigten Filmlegerfläche, und
Fig. 3: einen Teil der erfindungsgemäßen Düse gemäß Fig. 2 ohne Darstellung der beiden äußeren Luftkanäle und einer Kraftstoffströmung schematisch im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil eines Düsenhauptkörpers 10 einer Düse zur Zufuhr von Luft 13 und flüssigem Kraftstoff 18 unter Kraftstoffzerstäubung in eine Brennkammer 28 eines Triebwerks eines Flugzeugs, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Bei dem flüssigen Kraftstoff 18 handelt es sich insbesondere um Kerosin bzw. einen kerosinbasierten Kraftstoff und/oder einen synthetischen Flüssigkraftstoff.
Der Düsenhauptkörper 10 ist mit einem insbesondere rotationssymmetrischen Grundkörper 30 entlang einer Düsenlängsachse M ausgerichtet. Von dem Grundkörper 30 umlaufend umgrenzt ist ein erster, zumindest abschnittsweise auf der Düsenlängsachse M verlaufender, insbesondere zylindrischer Luftkanal 14 angeordnet. Vorzugsweise ist in dem ersten Luftkanal 14 ein Drallerzeuger zur Drallaufprägung (Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung) auf den im Betrieb durchströmenden Luftanteil angeordnet (hier nicht gezeigt). Der erste Luftkanal 14 mündet insbesondere mit ausschließlich axialer Richtungskomponente in die Brennkammer 28.
Radial um den ersten Luftkanal 14 ringförmig umlaufend weist der Düsenhauptkörper 10 einen Kraftstoffkanal 16 auf. Die radiale Innenwand des Kraftstoffkanals 16 ist von dem Grundkörper 30, die radiale Außenwand von einer äußeren Kraftstoffkanalwandung 26 gebildet. Der Kraftstoffkanal 16 weist einen axialen, koaxial zu der Düsenlängsachse M ausgerichteten axialen Abschnitt 161 und in Strömungsrichtung anschließend einen axial-radial nach innen, in Richtung Düsenlängsachse M, ausgerichteten, stromabseitigen Endabschnitt 162 auf, der in eine Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 mündet. Die Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 bzw. ihre Austrittsfläche ist im Wesentlichen sich ausschließlich axial erstreckend bezüglich der Düsenlängsachse M ausgerichtet. Weiterhin ist die Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 beispielhaft radial nach außen versetzt zu der Innenwand des ersten Luftkanals 14 angeordnet. Möglich wäre auch ein Versatz nach innen.
Stromab der Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 schließt sich an selbige eine Filmlegerfläche 20 an, an deren stromabseitigem Ende eine Abströmkante 22 angeordnet ist. Die Filmlegerfläche 20 ist ausschließlich axial bezüglich der Düsenlängsachse M ausgerichtet, sodass sie umlaufend einen um die Düsenlängsachse M ausgerichteten ringförmigen Zylinderabschnitt bildet.
Die Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 und die Filmlegerfläche 20 sind insbesondere am stromabseitigen Ende des ersten Luftkanals 14, zur Überströmung mit durch den ersten Luftkanal 14 strömender Luft, angeordnet.
Radial ringförmig um den Kraftstoffkanal 16 umlaufend weist der Düsenhauptkörper 10 vorzugsweise eine äußere Luftkanalanordnung 12 mit zwei radial versetzt zueinander angeordneten Luftkanälen auf, einem zweiten Luftkanal 121 und einem radial äußersten, dritten Luftkanal 122. In den Luftkanälen 121, 122 sind vorzugsweise Drallerzeuger 123, 124 angeordnet. Die Luftkanäle 121, 122 weisen jeweils einen stromabseitigen Endabschnitt zur Mündung in die Brennkammer 28 auf, der axial-radial nach innen, in Richtung der Düsenlängsachse M, ausgerichtet ist. Vorliegend verlaufen die Endabschnitte beispielhaft im Wesentlichen parallel zueinander und/oder zu dem Endabschnitt 162 des Kraftstoffkanals 16. Möglich ist auch eine andere Ausrichtung der Endabschnitte, um das sich in der Brennkammer 28 ausbildende Strömungsmuster gezielt zu beeinflussen.
Im Betrieb wird Luft 13 durch die hier beispielhaft drei vorhandenen Luftkanäle 14, 121, 122 geleitet. Der flüssige Kraftstoff 18 wird durch den zumindest einen Kraftstoffkanal 16 zu der vorzugsweise ringförmigen Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 geleitet und strömt, insbesondere unmittelbar stromab, der Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 auf die Filmlegerfläche 20. Die durch den ersten Luftkanal 14 strömende, insbesondere drallbehaftete Luft 13 strömt entlang der Düsenlängsachse M und streicht kurz vor dem Ausströmen aus der Düse in die Brennkammer 28 über die Filmlegerfläche 20. Dadurch wird der über die Filmlegerfläche 20 strömende Kraftstoffstrom transportiert. Von der Luft 13 aufgebrachte Schubspannungen induzieren (kleinskalige) Strömungsinstabilitäten im Kraftstoffstrom und reißen einzelne Kraftstofftröpfchen aus dem Film.
Die durch den zweiten Luftkanal 121 und dritten Luftkanal 122 strömende, verdrallte Luftströmung wird mittels der axial-radial ausgerichteten Endabschnitte radial einwärts geleitet, wobei sie am stromabseitigen Ende der Filmlegerfläche 20 mit der Luftströmung aus dem ersten Luftkanal 14 zusammentrifft. Auf diese Weise ist der Kraftstoffstrom an der Abströmkante 22 am Ende der Filmlegerfläche 20 in zwei Luftströme eingebettet und wird durch diese in feine Tröpfchen zerrissen. In der Ausführung mit drei Luftkanälen prägt der radial am weitesten außen liegende, dritte Luftkanal 122, auch als "Dom-Luftpassage" bezeichnet, der Luftströmung ebenfalls einen Drall auf und leitet diese aufgrund des axial-radial ausgerichteten Endabschnitts zunächst radial einwärts. Diese Luftströmung bewirkt durch deren Drehimpuls einen Druckgradienten derart, dass der Strom aus Luft 13 und Kraftstoff 18 (Tröpfchen) bei Einströmen in die Brennkammer 28 radial nach außen gezogen und ein verdralltes Hohlkegelspray generiert wird.
Untersuchungen der Kraftstoffströmung an der Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 haben ergeben, dass der von der Filmlegerfläche 20 abströmende Kraftstoff 18 Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen bestehen zum einen darin, dass sich infolge der Wechselwirkung mit der überstreichenden Luft an der Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 stromauf der Filmlegerfläche 20 Kraftstoffwellen aufbauen können, welche stromab wandern und über der Filmlegerfläche 20 kollabieren. Auf diese Weise können sich stromab der Abströmkante 22 große Stromfäden bilden, die weiter stromab zu relativ großen Tropfen zerfallen. Zum anderen bestehen Schwankungen in einer wellenförmigen Belegung der Filmlegerfläche 20 mit aus der Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 austretendem Kraftstoff 18. Dadurch verlassen zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedlich große Kraftstoffmassenströme die Filmlegerfläche 20 in teilweise periodisch repetierender Abfolge.
Infolge der Schwankungen im Kraftstoffmassenstrom und der resultierenden Tröpfchengrößenverteilung können im Zusammenhang mit der Flammendynamik stehende Druckschwankungen/Thermoakustik auftreten und die Schadstoffbildung innerhalb der Brennkammer 28 kann negativ beeinflusst werden.
Zur Vermeidung derartiger Schwankungen des Kraftstoffmassenstroms bei Abströmen von der Filmlegerfläche 20 wird eine Düse vorgeschlagen, wie beispielhaft in Fig. 2 und Fig. 3 schematisch in einem Längsschnitt dargestellt. Der in Fig. 2 dargestellte Teil entspricht abgesehen von den erfindungswesentlichen Unterschieden, wie nachfolgend erläutert, dem in Fig. 1 dargestellten Teil der Düse. Der in Fig. 3 dargestellte Teil zeigt im Wesentlichen den Kraftstoffkanal 16 mit einem Teil des Grundkörpers 30 und der äußeren Kraftstoffkanalwandung 26, sowie die Filmlegerfläche 20 und die Abströmkante 22.
Die Ausbildung der Düse betreffend die Luftkanäle 14, 121 und 122, entspricht vorliegend im Wesentlichen der Ausbildung wie in Fig. 1 gezeigt.
Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Düse weist die in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigte, erfindungsgemäße Düse eine sich deutlich länger erstreckende (z. B. um einen Faktor 1,5 bis 4 längere) Filmlegerfläche 20 auf, die sich ab dem äußeren Rand der Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 stromab bis an die Abströmkante 22 erstreckt.
Relative Maße der Filmlegerfläche sind aus Fig. 3 entnehmbar: Eine Länge L der Filmlegerfläche 20 zwischen der Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 und der Abströmkante 22 beträgt zwischen einem Faktor 5 und 6, vorzugsweise einen Faktor 5,5, mal eine Höhe H des Endabschnittes 162 des Kraftstoffkanals 16. Als Höhe H wird vorliegend der Abstand zwischen einer radial innenseitigen Wandfläche 163 und einer radial außenseitigen Wandfläche 164 innerhalb des Endabschnittes 162 bezeichnet, der sich orthogonal zu einer mittig zwischen diesen beiden Wandflächen 163, 164 verlaufenden Mittellängsfläche E ergibt. Die Höhe H ist vorzugsweise in Strömungsrichtung innerhalb des Endabschnittes 162 zumindest im Wesentlichen (beispielsweise nach einem Übergang von dem axialen Abschnitt 161) konstant.
Zudem ist insbesondere die Filmlegerfläche 20 derart axial-radial in einem Winkel α zwischen 5° und 15° gegenüber der Düsenlängsachse M geneigt, dass sie in Strömungsrichtung in Richtung der Düsenlängsachse verläuft. Auf diese Weise ist der erste Luftkanal 14 in dem axialen Abschnitt der Filmlegerfläche 20 in Strömungsrichtung konvertierend, in Art eines Ringkonus, ausgebildet. Der Winkel α bildet dabei den halben Öffnungswinkel des Konus. Der Winkel α ist dabei insbesondere flacher als eine axial-radiale Neigung des Endabschnittes des zweiten Luftkanals 121, sodass ein möglichst spitzer Winkel, mit einer möglichst scharfkantigen Abströmkante 22 gegenüber der äußeren Luftkanalanordnung 112 gebildet wird.
Der stromabseitige Endabschnitt 162 verläuft in Strömungsrichtung in Richtung zur Düsenlängsachse M, wobei der Endabschnitt 162 axial-radial in einem Winkel β zwischen 25° und 35° gegenüber der Düsenlängsachse M geneigt ist.
An dem stromabseitigen Ende des Endabschnittes 162 erstreckt sich die Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 in einer Austrittsfläche zwischen der außenseitigen Wandfläche 164 und der innenseitigen Wandfläche 163. Das stromabseitige Ende des Endabschnittes 162 ist bezüglich der außenseitigen Wandfläche 164 an einer axialen Position P₂ angeordnet, an welcher die außenseitigen Wandfläche 164, mit der steileren Anstellung, im Winkel β, in die Filmlegerfläche 20, mit der flacheren Anstellung, im Winkel α, übergeht (Übergangslinie zu der Filmlegerfläche). Das stromabseitige Ende des Endabschnitts 162 bezüglich der innenseitigen Wandfläche 163 ist an einer axialen Position P₁ angeordnet, an welcher die innenseitigen Wandfläche 163 in eine im Wesentlichen orthogonal zu der Düsenlängsachse M ausgerichtete Flanke 25 an dem stromabseitigen Ende des Grundkörpers 30 übergeht (düsenachsenseitige Austrittskante).
Die Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 bzw. die Austrittsfläche zwischen den axialen Position P₁ und P₂ ist dabei insbesondere möglichst orthogonal zu der Düsenlängsachse M ausgerichtet oder, wie in Fig. 3 gezeigt, an der radialen Außenseite (axiale Position P₂) etwas in Strömungsrichtung bzw. zur Düsenlängsachse M nach vorne geneigt, wobei die axiale Position P₂ stromab der axialen Position P₁ angeordnet ist. Die Neigung ist maximal derart, dass die Kraftstoff-Austrittsöffnung 24 orthogonal zu der Mittellängsfläche E des Endabschnittes 162 ausgerichtet ist. In Fig. 3 ist die Ausrichtung zwischen der Ausrichtung orthogonal zu der Düsenlängsachse M und der Ausrichtung orthogonal zu der Mittellängsfläche E.
Die stromabseitige, vordere Flanke 25 des Grundkörpers 30 ist stromauf der Filmlegerfläche 20 an dem stromabseitigen Ende des Grundkörpers 30 im Wesentlichen an der axialen Position P₁ angeordnet. Vorzugsweise ist die Flanke 25 orthogonal zur Düsenlängsachse M ausgerichtet, sie kann aber auch geneigt und/oder gerundet ausgebildet sein. Die Flanke 25 erstreckt sich radial zwischen einem Innenradius R_i und einem Außenradius R_a bezüglich der Düsenlängsachse M. Für eine strömungsgünstige und dennoch möglichst stabile, langlebige Ausbildung weist die Flanke 25 vorzugsweise eine radiale Höhe zwischen 0,15 mm und 0,25 mm auf.
In dem Abschnitt stromauf der Flanke 25 weist der Luftkanal 14 den Innenradius R_i auf, der vorzugsweise den kleinsten Radius innerhalb des Luftkanals bildet. Ein Radius R an der radialen Position der Abströmkante 22 an dem stromabseitigen Ende der Filmlegerfläche 20 liegt vorzugsweise zwischen dem Innenradius R_i und dem Außenradius R_a (mit R_i ≤ R ≤ R_a). Auf diese Weise ist die Abströmkante 22 radial zwischen dem Innenradius R_i und dem Außenradius R_a positioniert. Der konische Abschnitt des ersten Luftkanals 14 in dem Bereich der Filmlegerfläche 20 umfasst mithin nicht den engsten Strömungsquerschnitt und/oder den kleinsten Radius innerhalb des ersten Luftkanals 14.
Auf der axialen Position der Abströmkante 22 ist radial angrenzend an die Abströmkante 22 und den zweiten Luftkanal 121 (vgl. Fig. 2) eine stromabseitige, im Wesentlichen orthogonal zu der Düsenlängsachse M ausgerichtete Flanke 23 angeordnet. Für eine strömungsgünstige und dennoch möglichst stabile, langlebige Ausbildung weist die Flanke 23 vorzugsweise eine radiale Höhe zwischen 0,1 mm und 0,2 mm auf.
Wie umfangreiche Studien der Erfinder ergeben haben, bewirken Ausbildungsmerkmale der erfindungsgemäßen Düse insbesondere in ihrer Kombination eine wesentlich verbesserte Zerstäubung des Kraftstoffes, wobei die Bildung großer Ligamente bei Abreißen des Kraftstoffes von der Abströmkante 22 weitgehend bzw. praktisch vollständig unterbunden wird. Große Ligamente zerfallen in der stromab der Düse folgenden Sekundärzerstäubung in große Tröpfchen. Die Unterdrückung der Ligamentbildung führt zur Bildung eines Tropfenspektrums mit deutlich homogenerer Tröpfchengröße (schmalere Größenverteilung), sowie zu einer Unterdrückung zeitlich periodischer Schwankungen innerhalb der Größenverteilung. Einerseits ermöglicht die sich vergleichsweise lang erstreckende und vorzugsweise konisch verengende Filmlegerfläche 20 eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Impulsübertragung der Luftströmung innerhalb des ersten Luftkanals 14 auf den Kraftstofffilm. Der Kraftstofffilm wird stärker beschleunigt und erreicht die Abströmkante 22 mit höherer (auf den Düsenkörper bezogener) Strömungsgeschwindigkeit. Bei Erreichen der Abströmkante 22 weist der Kraftstofffilm eine geringere radiale Dicke auf. Dies trägt zur Bildung der kleineren Kraftstoffligamente bei Abreißen des Kraftstoffes von der Abströmkante 22 bei. Zugleich läuft aufgrund der geringen radialen Maße der Flanke 23 auf Position der Abströmkante 22 der erste Luftkanal 14 stromab der Filmlegerfläche 20 im Wesentlichen mit der äußeren Luftkanalanordnung 12 zusammen. Dadurch wird der aus dem Stand der Technik bekannte Effekt einer Reservoirbildung durch Adhäsion von Kraftstoff an der orthogonalen Flanke 23 reduziert.

Bezugszeichenliste

10: Düsenhauptkörper
12: äußere Luftkanalanordnung
121: zweiter Luftkanal
122: dritter Luftkanal
123: innerer Drallerzeuger
124: äußerer Drallerzeuger
13: Luft
14: erster Luftkanal
141: Wandung
16: Kraftstoffkanal
161: axialer Abschnitt
162: Endabschnitt
163: innenseitige Wandfläche
164: außenseitige Wandfläche
18: Kraftstoff
20: Filmlegerfläche
22: Abströmkante
23: stromabseitige Flanke
24: Austrittsöffnung
25: stromaufseitige Flanke
26: äußere Kraftstoffkanalwandung
28: Brennkammer
30: Grundkörper
H: Höhe
L: Länge
M: Düsenlängsachse
E: Mittellängsfläche
P1: axiale Position
P2: axiale Position
Ri: Innenradius
Ra: Außenradius
R: Radius

Claims

Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer (28), insbesondere eines Triebwerks eines Flugzeugs, mit einem entlang einer Düsenlängsachse (M) ausgerichteten Düsenhauptkörper (10), in welchem angeordnet sind:
- zumindest ein auf der und/oder um die Düsenlängsachse (M) verlaufender, erster Luftkanal (14),

- zumindest ein radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den ersten Luftkanal (14) angeordneter Kraftstoffkanal (16), der einen axial-radial in Strömungsrichtung in Richtung Düsenlängsachse (M) verlaufenden, stromabseitigen Endabschnitt (162) aufweist, und

- zumindest ein radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den Kraftstoffkanal (16) angeordneter zweiter Luftkanal (121),

wobei der Kraftstoffkanal (16) mit einer Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) an einer daran anschließenden, zumindest im Wesentlichen axial ausgerichteten Filmlegerfläche (20) mit einer stromabseitigen Abströmkante (22) mündet, wobei die Filmlegerfläche (20) den ersten Luftkanal (14) stromabseitig umgrenzt, dadurch gekennzeichnet,

dass eine Länge (L) der Filmlegerfläche (20), zwischen der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) und der Abströmkante (22), zwischen einem Faktor 5 und 6, vorzugsweise einen Faktor 5,5, mal einer Höhe (H) des Endabschnitts (162) des Kraftstoffkanals (16) beträgt, wobei

axial auf Position der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) zwischen dem ersten Luftkanal (14) und der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) eine sich radial zwischen einem Innenradius (R_i) und einem Außenradius (R_a) erstreckende, zumindest im Wesentlichen orthogonal zur Düsenlängsachse (M) ausgerichtete, bezüglich der Filmlegerfläche (20) stromaufseitige Flanke (25) zwischen dem ersten Luftkanal (14) und dem Kraftstoffkanal (16) angeordnet ist, die eine Höhe zwischen 0,15 mm und 0,25 mm aufweist, wobei die Abströmkante (22) radial zwischen dem Innenradius (R_i) und dem Außenradius (R_a) positioniert ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Filmlegerfläche (20) derart axial-radial in einem Winkel (α) zwischen 5° und 15° gegenüber der Düsenlängsachse (M) geneigt ist, dass sie in Strömungsrichtung in Richtung der Düsenlängsachse (M) verläuft.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der stromabseitige Endabschnitt (162) derart axial-radial in einem Winkel (β) zwischen 25° und 35° gegenüber der Düsenlängsachse (M) geneigt ist, dass er in Strömungsrichtung in Richtung zur Düsenlängsachse (M) verläuft.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Austrittsfläche der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24)
- orthogonal zu der Düsenlängsachse (M) oder

- orthogonal zu einer Mittellängsfläche (E) des Endabschnitts (162) oder

- zwischen diesen beiden Ausrichtungen

ausgerichtet ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass axial auf Position der Abströmkante (22) eine zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der Düsenlängsachse (M) ausgerichtete, bezüglich der Filmlegerfläche (20) stromabseitige Flanke (23) angeordnet ist, welche eine Höhe bis maximal 0,2 mm, z. B. zwischen 0,1 mm und 0,2 mm aufweist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den Kraftstoffkanal (16) zwei radial zueinander versetzte, z.B. zumindest abschnittsweise koaxial zueinander angeordnete, Luftkanäle (121, 122) angeordnet sind, innerhalb welcher vorzugsweise jeweils ein Drallerzeuger (123, 124) angeordnet ist.
Düse nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Luftkanäle (121, 122) jeweils einen stromabseitigen Endabschnitt zur Mündung in die Brennkammer (30) aufweisen, der axial-radial in Richtung der Düsenlängsachse (M) ausgerichtet ist.
Triebwerk mit zumindest einer Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche.