WO2023180315A2 - Nozzle assembly with a central fuel supply and at least one air channel - Google Patents

Nozzle assembly with a central fuel supply and at least one air channel Download PDF

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WO2023180315A2
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Carsten Clemen
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    • F23R2900/00002Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • Nozzle assembly with central fuel supply and at least one air duct
  • the invention relates to a nozzle assembly for a combustion chamber of an engine with at least one nozzle for injecting gaseous fuel, in particular hydrogen, into a combustion chamber of the combustion chamber comprises a nozzle holder having a fuel supply line.
  • Nozzle assemblies for combustion chambers for engines are widely known in various forms.
  • the focus of previously common nozzles of such nozzle assemblies is the injection of fuels, in which, especially in the case of gaseous fuels, the fuel is mixed with air within the nozzle in order to produce a combustible fuel-air mixture immediately downstream of the nozzle end.
  • the air flow through the nozzle is often used to atomize (or at least support) the fuels into sprays within the nozzle or directly downstream of it.
  • the air to be mixed in is already wired within the nozzle, so that a swirling fuel-air flow with turbulence and recirculation is created downstream of the nozzle end, which is classified as advantageous for combustion.
  • Such different nozzle assemblies are in the publications US 4 842 509 A, DE 10 62 873 A, GB 2 593 123 A, US 5 117 637 A, US 4 483 138 A, DE 103 14 941 A1, US 9 488 108 B2 and also in US 5 636 511 A shown in various embodiments.
  • a coaxial ignition unit with a ceramic body is arranged in a central tube, onto which a hardened platinum wire is wound in the form of a coil.
  • a mixture of fuel and air takes place in the central tube, with openings for supplying air being introduced in the wall of the central tube around the ignition unit, which is supplied via an annular channel formed by an outer coaxial tube.
  • the engine is partially or completely operated with hydrogen or other fuels to be injected in gaseous form, as is the case, for example. B. in US 4,713,938 A1 is intended for a gas turbine for generating electricity.
  • an engine is to be built with the same design as possible, e.g. B. operated with hydrogen instead of kerosene or diesel, a different injection is necessary because the fuel is introduced into the combustion chamber in gaseous form and in the case of e.g. B. Hydrogen also has significantly shorter ignition delay times and higher flame speeds.
  • the nozzle assembly of claim 1 is proposed, which in particular comprises a nozzle for injecting hydrogen into a combustion chamber of an engine-side combustion chamber, but which is also suitable for injecting other fuels, in particular gaseous fuels.
  • a proposed nozzle assembly includes a nozzle with a nozzle main body, which includes a central fuel pipe extending along the longitudinal axis of the nozzle. At least two radially spaced air ducts, each with at least one air outlet opening, are also provided on the nozzle head, so that a central fuel outlet opening of the fuel pipe is formed at the nozzle end and the at least two air outlet openings of the two air ducts are formed radially further out.
  • Air intended for mixing with the fuel discharged from the fuel outlet opening can be introduced into the combustion chamber via air guide channels. At least two air guide channels located radially further outward with respect to the inner or central fuel pipe are therefore provided on the nozzle head.
  • the fuel pipe can protrude axially with its fuel outlet opening relative to the air outlet openings of the air guide channels, based on the longitudinal axis of the nozzle.
  • the fuel outlet opening is therefore in a flow direction defined by the fuel pipe, along which the fuel is guided within the nozzle main body, at least as far or further downstream as the air outlet openings of the air ducts.
  • the fuel outlet opening is arranged furthest downstream, i.e. each air outlet opening is arranged axially set back from the fuel outlet opening of the fuel pipe with respect to the nozzle longitudinal axis. This means that the fuel can be injected further downstream into the combustion chamber than air via the radially outer air guide channels. This supports the heat release As a result of combustion of the mixture of fuel and air occurring downstream of the nozzle, the nozzle is not thermally stressed in a critical manner.
  • the air flowing in via the at least two air guide channels ensures an air-rich zone in a front area of the combustion chamber around the nozzle end (a so-called outer recirculation zone).
  • a so-called outer recirculation zone the air flowing in via the at least two air guide channels ensures an air-rich zone in a front area of the combustion chamber around the nozzle end.
  • Air outlet openings of the different air guide channels can each be designed as an annular gap, in particular as an annular gap.
  • the at least two radially spaced air guide channels of the nozzle head can provide air flows with different air quantities, different swirls and in particular also different flow speeds.
  • an outer air outlet opening of a radially outermost air duct of the at least two air ducts can have a larger cross-sectional area than an inner air outlet opening of an inner air duct of the at least two air ducts, which runs on the nozzle head between the radially outermost air duct and a section of the fuel pipe.
  • an outer air outlet opening of a radially outermost air duct of the at least two air ducts has a cross-sectional area that is at least a factor of 2, 4 or 6 larger (through which air flows during operation of the combustion chamber or the engine) than an inner air outlet opening of an inner air duct of the at least two air ducts.
  • the inner air duct is provided on the nozzle head between the radially outermost air duct and a section of the fuel pipe.
  • an air flow with a comparatively high axial momentum is provided via the radially inner air duct and with less swirl than the outer air duct or no swirl.
  • the Radial inner air duct is set up and provided to provide a non-swirling air flow into the combustion chamber.
  • the radially inner air duct can be set up and provided to provide a swirling air flow into the combustion chamber, but the swirl of the air flow from the inner air duct is set to be less than the swirl of the air flow which (during operation of the combustion chamber) via the radially outer or outermost air duct flows into the combustion chamber.
  • An air flow with an imposed swirl does not have to be able to be generated via the radially inner air guide channel, but it can also be possible.
  • Swirl imprinting can be advantageous, for example, with regard to the stability behavior of the burner, the flame shape and/or flame position, the pollutant formation rate and the thermal load on the nozzle.
  • the air ducts can then be designed in such a way that the air flow from the inner air duct has a swirl that is increased by a defined amount, e.g. B. by more than 50% or more than 60%, is less than a swirl of the air flow from the outer air duct.
  • the air flow from the radially inner air duct continues to occur primarily tangentially to the inflow of fuel from the fuel pipe and at least with a larger axial component than an air flow from the outer air duct.
  • the air flow from the radially inner inner air guide channel adjacent to the fuel pipe thus supports a displacement of the zones of chemical combustion reactions as far as possible into the combustion chamber.
  • the radially outermost air guide duct with the larger cross-section through which flow is provided is primarily intended to provide a swirling air flow into the combustion chamber. This allows an air flow to be generated at the nozzle end, which envelops the fuel flow, draws it up radially and thus creates a recirculation zone downstream of the nozzle end, in which air and fuel mix and a swirl-stabilized, recirculating combustion zone is formed.
  • the air from the air ducts surrounding the combustion zone also creates an air-rich zone in a front area of the combustion chamber available around the nozzle (a so-called external recirculation zone). This allows the nozzle and a combustion chamber wall of the combustion chamber to be thermally protected from the combustion zone.
  • the air flow introduced into the combustion chamber via the outermost air duct has a swirl, while the air flow from the inner air duct is not swirling, or the air flow into the combustion chamber via the outermost air duct Air flow introduced into the combustion chamber has at least a greater swirl than the air flow from the inner air duct.
  • one or more axial twisters or radial twisters are provided for this purpose at least in a radially outermost air duct of the at least two air ducts.
  • one or more radially inwardly pointing inlet lips can be provided at least on a radially outermost air duct of the at least two air ducts in order to feed air into the radially outermost air duct and, if necessary, also in to guide a further air guide channel located radially further inside.
  • the one or more inlet lips also lead, for example, to air coming from a compressor stage and guided around the nozzle main body being guided radially inwards into the radially outermost air duct and possibly also into a further air duct located radially further inwards .
  • inlet lips for one or more air ducts can be particularly advantageous for a head area of the nozzle that is comparatively thick and which may therefore initially be an obstacle to allowing a sufficiently large amount of air to flow axially into the air duct(s).
  • a local narrowing of the inner air duct towards its air outlet opening can be provided. Sections of inner and outer walls bordering the inner air duct and opposing each other (duct) walls thus approach each other in the area of the air outlet opening.
  • the inner air duct can be z. B. narrow in the shape of a nozzle, whereby an increase in the exit speed of the inflowing air can be achieved.
  • a deflection of the air flow radially inwards, ie in the direction of the nozzle longitudinal axis L can also be achieved via such a narrowing.
  • a centrally arranged flow body can be provided within the central fuel pipe, on the outer surface of which fuel supplied to the fuel pipe can flow along in the direction of a fuel outlet opening of the fuel pipe, via which the fuel can be introduced into the combustion chamber.
  • Such a central flow body can be provided in combination with the at least two air guide channels.
  • the use of such a central flow body can also be advantageous in other designs of a nozzle head with a central fuel pipe, e.g. B. in combination with only one surrounding coaxial air duct.
  • Fuel can flow axially around the centrally arranged flow body and thus serve to even out the fuel flow within the fuel pipe and/or to influence the flow direction of the fuel at the fuel outlet opening.
  • fuel supplied to the nozzle via at least one fuel supply line in a nozzle holder can therefore be guided within the nozzle main body up to the fuel outlet opening of the fuel pipe, which is also defined by an end of the flow body.
  • the fuel With the help of the (downstream) end of the flow body, the fuel can be injected into the combustion chamber, in particular with a flow component pointing radially outwards, and/or can positively influence a flow field in the combustion chamber.
  • a flow body provided within the fuel pipe can extend with one end to the nozzle end, and in particular to the fuel outlet opening.
  • the flow body at the nozzle end can protrude axially relative to an edge of the fuel outlet opening that is located radially further out, that is, it can protrude at least slightly axially beyond the edge of the fuel outlet opening.
  • the flow body protrudes to an extent that is 5% or 10% of the diameter of the central fuel pipe.
  • an advantageous embodiment in connection with the central injection of gaseous fuel, namely hydrogen, into the combustion chamber is that a spark plug is integrated into the fuel pipe, in particular into the flow body, with its front ignition section facing the combustion chamber.
  • a spark plug is integrated into the fuel pipe, in particular into the flow body, with its front ignition section facing the combustion chamber.
  • the spark plug is accommodated in a central cavity of the flow body. This results in a defined, precise installation, with the cavity in the flow body z. B. through a central hole introduced into the flow body coaxially to the longitudinal axis, e.g. B. open blind hole on the front, can be formed.
  • a cable connection for electrically controlling the spark plug through the flow body for example a bushing introduced on the back of the cavity, and optionally a support element, in particular a support strut, a support that holds the flow body in the fuel pipe. structure and guided through the nozzle holder.
  • the installation of the spark plug and the cable routing are designed to be leak-tight.
  • the flow body which is blunt towards the combustion chamber, the area of the fuel outlet opening and the area of at least one air outlet opening of at least one air guide channel, in particular arranged in the nozzle body, are designed and coordinated with one another are that the air supply and the gas supply into the combustion chamber lead to a recirculation of the gas-air mixture towards the ignition section of the spark plug.
  • the installation of the spark plug in the specified combination with the flow body is based on the idea that the central injection of the gaseous fuel, in particular hydrogen, causes only a small amount of gas-air mixture to be distributed outwards towards the combustion chamber wall, especially in operating conditions with little air mass flow and low air speeds, i.e. e.g. B. to start the engine.
  • the spark plug for igniting the gas-air mixture is conventionally positioned on the combustion chamber wall. This makes ignition only possible when a suitable amount of gas-air mixture is present. This can result in a large amount of ignitable mixture already being present in the combustion chamber before ignition occurs. This can lead to a detonation-like ignition.
  • the solution according to the invention given here results in an advantageous integration of the ignition device for optimal ignition conditions in the mentioned structure of the nozzle assembly with central injection of the gaseous fuel, in particular hydrogen.
  • One end of the flow body can specify a flow direction for the fuel to be injected into the combustion chamber.
  • the flow body For this purpose, have a guide element at its end, via which fuel emerging from the fuel outlet opening is directed radially outwards in relation to the longitudinal axis of the nozzle.
  • the guide element is formed by a radial expansion of the flow body.
  • a narrowing at the end of the fuel pipe at the fuel outlet opening, which is realized with the end of the flow body facing the combustion chamber, can also be used to specifically accelerate the fuel flow into the combustion chamber.
  • the flow body can be conical or conical.
  • the flow body is designed symmetrically, in particular rotationally symmetrically, to the longitudinal axis of the nozzle and/or with a blunt, centrally arranged end face facing the combustion chamber.
  • a blunt, centrally arranged end face at one end of the flow body can, for example, support the formation of an inner recirculation zone with a comparatively high fuel concentration during operation of the combustion chamber or the engine.
  • Such an inner recirculation zone may be accompanied by low combustion temperatures in the vicinity of the nozzle and thus immediately downstream of the nozzle end.
  • the blunt end face can in principle - depending on the desired flow conditions - be essentially flat, (slightly) convex or (slightly) concave.
  • the flow body can have an upstream and optionally aerodynamically shaped, convexly curved end, which is axially spaced from an end wall of the nozzle or a rear wall of the fuel tube.
  • another aerodynamically favorable shape can also be provided for the upstream end.
  • the end can be hemispherical, conical (possibly with a blunt or rounded cone tip), ogive-shaped or ovoid-shaped.
  • the flow body can also be connected to an end wall of the nozzle or a rear wall of the fuel pipe in embodiment variants of the proposed solution.
  • the flow body then extends along the longitudinal axis of the nozzle away from the end wall or the rear wall and is therefore not axially spaced from the end wall or the rear wall. While with an axial spacing of the flow body the flow body has an upstream end within the fuel pipe where fuel flows axially, this is not the case with a flow body connected to the end wall or rear wall.
  • one or the other shape of the flow body can be advantageous, for example with regard to a thickness of the nozzle main body that can be achieved in a head region of the nozzle main body.
  • the flow body is not connected to an end wall of the nozzle or a rear wall of the fuel pipe and runs along the longitudinal axis of the nozzle centrally within the fuel pipe up to the fuel outlet opening, the flow body typically extends over a large part of the length of the main nozzle body having the fuel pipe, e.g. B. over at least 85% of this length.
  • two flow bodies that are axially spaced apart from one another with respect to the nozzle longitudinal axis can also be present within the fuel pipe.
  • a pipe section of the fuel pipe through which fuel can flow over the entire cross section is present centrally between the two flow bodies.
  • a first upstream flow body is cone-shaped, while a further flow body provided downstream in the area of the fuel outlet opening is conical or otherwise aerodynamically favorable - e.g. B. hemispherical, conical (possibly with a blunt or rounded cone tip), ogive-shaped or ovoid-shaped - is designed.
  • the flow body can comprise several (at least two) protruding sections on its outer lateral surface, which flows axially around the combustion chamber during operation.
  • these protruding sections can serve to intensify heat transfer between the material of the flow body, which typically consists of metal, and the cooler fuel - particularly during operation of the combustion chamber. If the flow body extends to the fuel outlet opening, it is exposed to comparatively high temperatures at least on one side facing the combustion chamber, so that the injected fuel in the area of the flow body can also be used for cooling, especially if this is hydrogen to be injected.
  • the sections protruding from the outer lateral surface can also serve specifically to influence the flow of the fuel flow within the fuel pipe.
  • the protruding sections are formed by ribs, webs, pins, tenons or fins.
  • the protruding sections can be provided evenly distributed on the outer lateral surface around which the flow flows axially.
  • the protruding sections can be provided distributed over the entire outer lateral surface, or only in a limited area of the lateral surface (e.g. in the area of the fuel outlet opening).
  • the protruding sections are arranged on the outer surface in such a way that any swirl that has already been specifically imposed on the fuel flow is not counteracted or such a swirl is even supported if necessary.
  • the protruding sections can be designed and provided to locally influence and, if necessary, increase the swirl.
  • the sections protruding from the lateral surface are designed at an angle and/or helically.
  • the flow body can comprise several depressions on its axially flow-around outer lateral surface, for example in the form of bores and/or dents.
  • Such structures that change the surface of the flow body can also serve to intensify the heat transfer from the flow body to the fuel.
  • one end of the fuel pipe in the area of the fuel outlet opening can be designed in various ways. Since when using fuel with very fast reaction kinetics, such as B. in the case of hydrogen, it is to be expected that a flame in the combustion chamber will be anchored comparatively close to the nozzle, there is fundamentally the possibility that at certain operating points of the engine an anchor point of the combustion zone is located directly on a trailing edge of the fuel pipe .
  • the end of the fuel pipe should therefore be designed in such a way that, on the one hand, the heat release in the combustion chamber in the immediate vicinity of the end of the fuel pipe is kept low and, on the other hand, sufficient robustness against the heat input from the combustion zone is ensured.
  • the fuel pipe at the fuel outlet opening with an edge running around the longitudinal axis of the nozzle, which edge has a radially outwardly inclined chamfer.
  • the chamfer can taper to an axial end of the fuel pipe or merge into a blunt end geometry. If the chamfer tapers to a point and the edge of the fuel pipe separates the fuel flow from an air flow in the adjacent air guide duct, a tapered chamfer can have the advantage that the fuel flow and the air flow meet each other tangentially. This allows a high outflow velocity of the two flows from the nozzle to be maintained. The heat release in the area of the anchor point explained above therefore remains low.
  • the disadvantage here can be that in the area of a tapered end, heat introduced during operation of the combustion chamber cannot be transported away sufficiently quickly through a heat conduction within the fuel pipe, so that the tapered end runs the risk of being thermally overloaded.
  • thermal overload can e.g. B. can be counteracted by a corresponding flow influence, for example through the tangential meeting of fuel and air and the resulting effects on the combustion zone, especially the anchor point of the flame and the local heat release in the anchor point.
  • a small “dead water area” or a small (inner) recirculation zone may arise immediately downstream of the nozzle end, in which the fuel and the incoming air can mix. so that when the combustion chamber is in operation, a comparatively high amount of heat is released locally as a result of combustion.
  • the heat introduced into the edge of the fuel pipe can be better transported away through heat conduction, making it easier to avoid the risk of thermal overload.
  • the central fuel pipe can be sealed against the inflow of air.
  • the fuel can be introduced into the combustion chamber in the nozzle without mixing with air via the fuel pipe which extends centrally in the nozzle main body along the longitudinal axis of the nozzle.
  • the nozzle-side fuel pipe is thus sealed against an inflow of air from a compressor stage of the engine, in particular at an upstream end of the nozzle main body.
  • the fuel to be injected is first mixed with air only downstream of the nozzle end.
  • the fuel is not premixed with air within the nozzle, so that the fuel initially comes out unmixed at the nozzle end and is only mixed with (combustion or mixed) air downstream of the nozzle end.
  • the nozzle comprises a supply line reservoir connected to the fuel supply line, to which fuel can be supplied from the fuel supply line and from which fuel can be supplied to the fuel pipe.
  • the supply line reservoir is therefore fluidly connected to both the fuel supply line and the fuel pipe, so that the fuel coming from the fuel supply line can flow into the fuel pipe via the supply line reservoir.
  • the feed reservoir is designed, for example, as a cavity in the nozzle holder or the nozzle main body, for example as a cavity with an annular cross-section, in particular an annular shape or a circular cross-section with a circular cross-section.
  • the supply line reservoir can support the most uniform possible introduction of fuel into the fuel pipe, for example by allowing the fuel to flow in from the supply line reservoir via several specifically arranged and z. B.
  • the feed reservoir is provided in an area of the nozzle which is bordered by an end wall located upstream in relation to a flow direction defined by the fuel pipe along which the fuel is guided within the nozzle main body to the nozzle end.
  • an end wall faces away from the combustion chamber of the combustion chamber.
  • such an upstream supply line reservoir is then formed in a head region of the nozzle main body connected to the nozzle holder.
  • the fuel introduced from the supply reservoir into the fuel pipe can thus be guided in the fuel pipe to the fuel outlet opening over a comparatively large part (more than 60%) of the length of the nozzle main body measured along the nozzle longitudinal axis. In this way, the fuel can be guided to the nozzle end in a targeted manner and, for example, by evening out the fuel flow, if necessary with targeted twisting of the fuel flow.
  • At least one through opening through which fuel can flow from the feed reservoir into the fuel pipe, can be set up, for example, for fuel to flow radially inwards into a first pipe section of the fuel pipe.
  • a substantially radially inwardly directed flow into the first pipe section of the fuel pipe is thus made possible via the at least one through opening.
  • One or more fluid connections provided by one or more through openings are therefore provided between the supply line reservoir and the fuel pipe, via which fuel can flow from the supply reservoir essentially radially inwards into the first pipe section and thus into the fuel pipe.
  • At least one through opening can also be set up for an inflow of fuel essentially in the axial direction into a first pipe section of the fuel pipe. This can happen
  • the at least one through opening extends through a rear wall of the fuel pipe that runs essentially or exactly perpendicular to the nozzle longitudinal axis and borders (limiting) the first pipe section (upstream) or through a partition wall separating the supply line reservoir from the first pipe section.
  • the proposed solution is particularly suitable for the injection of different types of fuels.
  • the central supply of fuel via a nozzle-side fuel pipe which is protected from mixing with air, offers particular advantages.
  • annular combustion chamber with at least one nozzle assembly in particular according to one of claims 9 to 14, can advantageously be constructed in a combustion chamber ring.
  • Advantageous embodiments consist in that a spark plug is/are integrated in at least one nozzle assembly, preferably at the highest point of the combustion chamber ring, or in several nozzle assemblies or in all nozzle assemblies in the manner mentioned.
  • the proposed solution also includes an engine with at least one embodiment variant of a proposed nozzle assembly.
  • a proposed nozzle assembly can of course also be used in a (stationary) gas turbine.
  • Show here: 1 shows a detail and a sectional view of a first embodiment variant of a nozzle of a proposed nozzle assembly with a feed reservoir designed as an annular chamber, from which fuel can flow essentially radially inwards into a central fuel pipe of a nozzle main body equipped with a longitudinal flow body;
  • Figure 2 shows a schematic diagram of a modified embodiment variant of a proposed nozzle assembly, which has two axially spaced flow bodies in the fuel pipe, with an illustration of the circulation zones that can be achieved downstream of the nozzle end;
  • FIGS. 3A-3B in a view corresponding to Figure 1, each show further developments of the embodiment variant of Figure 1;
  • Figures 4A-4D show schematic representations of embodiment variants of a nozzle main body connected to a nozzle holder with a flow body and an integrated spark plug;
  • FIG. 5 schematic representation of a nozzle main body according to
  • Figures 6A-6B in views corresponding to Figures 1, 3A and 3B further embodiment variants of a proposed nozzle assembly, in which two axially spaced flow bodies are provided within the central fuel pipe;
  • Figures 7A-9B show individual versions of different embodiments for a second flow body provided downstream ( Figures 7A, 8A and 9A) as well as analogous designs of an end section of a single continuous flow body ( Figures 7B, 8B and 9B) for the fuel pipe;
  • Figures 10A-10B show different views of a second flow body corresponding to the embodiment variants of Figures 6A and 6B, on the outer surface of which several depressions are formed;
  • Figure 11 shows an end section of a continuous flow body corresponding to Figures 1, 3A and 3B with depressions;
  • Figure 12 shows a sectional view of a nozzle main body with a nozzle head according to the previous figures without a flow body provided within the central fuel pipe
  • Figure 13 shows a further development of the embodiment variant of Figure 12 with a radial twister in the outermost air guide duct of the nozzle head;
  • Figure 14 in a view corresponding to Figure 12, shows the nozzle main body with the nozzle head, illustrating an axial offset between the air outlet openings and the fuel outlet opening at the nozzle end of the nozzle;
  • Figures 15A-15C show detail and sectional representation of different variants for the design of a final geometry of a downstream edge of the fuel pipe facing the combustion chamber;
  • Figure 16 shows a detail of a possible further development of a nozzle of a proposed nozzle assembly with inlet lips for the two air guide channels on the nozzle head;
  • Figures 17A-17B show sections and individual representations of different variants for a design of an inner air duct in the area of an inner air outlet opening of the inner air duct;
  • Figure 18A shows an engine in which an embodiment variant of a proposed nozzle assembly is used
  • Figure 18B shows a detail and on an enlarged scale of the combustion chamber of the engine of Figure 17A;
  • Figure 18C shows the structure of a conventional fuel nozzle with essential components.
  • FIG. 18A illustrates schematically and in a sectional view a (turbofan) engine T, in which the individual engine components are arranged one behind the other along a rotation axis or central axis M and the engine T is designed as a turbofan engine.
  • a fan F At an inlet or intake E of the engine T, air is moved and compressed along an inlet direction by means of a fan F.
  • This fan F which is arranged in a fan housing FC, is driven via a rotor shaft S1, which is rotated by a turbine TT of the engine T.
  • the turbine TT is connected to a compressor V, which has, for example, an (optional) medium-pressure compressor 111 and a high-pressure compressor 112, and possibly also a low-pressure compressor (booster).
  • boost low-pressure compressor
  • the fan F supplies air to the compressor V in a primary air flow F1 and, on the other hand, to generate thrust, in a secondary air flow F2 to a secondary flow channel or bypass channel B.
  • the bypass channel B runs around a denser V, a combustion chamber assembly BK and the turbine TT core engine comprising a primary flow duct for the air supplied to the core engine by the fan F.
  • the air conveyed into the primary flow channel via the compressor V reaches the combustion chamber assembly BK of the core engine, in which thermal energy for driving the turbine TT is generated by combustion of fuel with air flowing in from the compressor V.
  • the turbine TT has a high-pressure turbine 113, an (optional) medium-pressure turbine 114 and a low-pressure turbine 115.
  • the turbine TT drives the rotor shafts S1, S2 and S3 and thus the medium and high pressure compressor as well as the fan F in order to generate thrust via the air conveyed into the bypass channel B.
  • Both the air from the bypass duct B and the exhaust gas-air mixture from the primary flow duct of the core engine flow out via an outlet A at the end of the engine T and both contribute to the overall thrust of the engine.
  • the outlet A usually has a thrust nozzle and a centrally arranged outlet cone C. Constructions are also common in which the air from the bypass channel and the exhaust gas-containing air from the primary flow channel are combined into a single air stream before exiting through outlet A. To achieve this combination, flower mixers are often used, which are arranged within the engine in front of a common exhaust nozzle and the outlet A (not shown).
  • FIG. 18B shows a longitudinal section through the combustion chamber assembly BK of the engine T.
  • a (ring) combustion chamber 103 of the engine T can be seen from this.
  • a nozzle assembly is provided for injecting fuel or an air-fuel mixture into a combustion chamber 1030 of the combustion chamber 103.
  • This comprises a combustion chamber ring R, on which several nozzles D are arranged on a combustion chamber head of the combustion chamber along a circular line around the central axis M.
  • One or more burner seals BD with bearing openings are provided on the combustion chamber ring R, on which nozzle heads of the respective nozzles D are held so that fuel can be injected into the combustion chamber 103.
  • Each nozzle D includes a flange via which a nozzle holder DH of the nozzle D is screwed to an outer housing G of the combustion chamber assembly BK.
  • Figure 18C shows schematically a structure of a conventional nozzle assembly installed by means of a nozzle holder DH with its essential components.
  • an outer air duct 6, a central air duct 7, a central swirler 8 and a fuel injection 9 with a fuel supply line 1 are provided in order to supply fuel via a fuel ring reservoir 11 and a fuel distribution 12.
  • a burner seal BR is present on a combustion chamber head 14.
  • Conventional nozzles D for an engine T are typically for the injection of liquid fuel, such as. B. kerosene or diesel, and for this purpose have a central first air duct and at least one further radially outer second air duct and a fuel duct which is provided between the two air ducts. Fuel emerging from a fuel outlet opening of such a fuel guide channel is then already mixed at the nozzle with air from the first central air guide channel and possibly also with the air from the air guide channel located radially further out, so that a fuel-air mixture is produced at one nozzle end of the nozzle D is provided.
  • liquid fuel such as. B. kerosene or diesel
  • Such a configuration of a nozzle D may be disadvantageous in particular for fuel, in particular hydrogen, to be injected in gaseous form into a combustion chamber 1030 of the combustion chamber 1031.
  • a nozzle assembly with a nozzle D according to the proposed solution provides a remedy here, for which different embodiment variants are illustrated in FIGS. 1 to 17B.
  • a central fuel pipe 3 is provided on a nozzle main body DR of the nozzle D, extending along a nozzle longitudinal axis L and sealed against an inflow of air, via which fuel is delivered within the nozzle main body DR to a nozzle end of the nozzle D provided fuel outlet opening 33 of the fuel pipe 3 can be guided. The fuel can then be introduced from the fuel outlet opening 33 into the combustion chamber 1030 for initial mixing with air.
  • the central fuel pipe 3 of a nozzle D is supplied with fuel via a supply reservoir in the form of an annular chamber 2A.
  • This annular chamber 2A extends in a ring shape around a first pipe section 3A of the fuel pipe 3 at a head region of the nozzle D, which is connected to the nozzle holder DH, and is supplied with fuel via a fuel supply line 1 which runs in the nozzle holder DH.
  • Fuel from the fuel supply line 1 thus first reaches the annular chamber 2A via a supply opening in the fuel supply line 1, from which the fuel can flow further into the first pipe section 3A of the fuel pipe 3.
  • the fuel flows from the annular chamber 2A via through openings 23 distributed around the circumference on an inner wall W of the first pipe section 3A, substantially radially inwards to the nozzle longitudinal axis L, into the first pipe section 3A.
  • the fuel pipe 3 is sealed on the end face facing away from the combustion chamber 1030 with a continuous end wall DW of the nozzle D against air coming from the compressor V of the engine T.
  • Fuel fed into the fuel pipe 3 from the fuel supply line 1 is also conveyed unmixed to the nozzle end of the nozzle D within the nozzle main body DR, i.e. without mixing with air.
  • the fuel fed radially from the annular chamber 2A into the fuel pipe 3 flows from the first pipe section 3A, which defines an antechamber within the fuel pipe 3, in the axial direction into a second pipe section 3B, with a centrally arranged within the fuel pipe 3 Flow body 30.
  • the fuel flows along this flow body 30 up to the fuel outlet opening 33 of the fuel pipe 3 at the nozzle end.
  • the central flow body 30 is designed in the shape of a peg and thus defines the second pipe section 3B, which is annular in cross-section (and thus an annular space that adjoins the first pipe section 3A axially), in which the fuel is guided along the nozzle longitudinal axis L to the fuel outlet opening 33.
  • the fuel flow can be evened out across the cross section via the flow body 30.
  • the flow body 30 has, at a downstream end 301, a guide collar 3010 which serves as a guide element and through which the nozzle outlet opening 33 is narrowed in order to accelerate the emerging fuel flow.
  • the emerging fuel flow is directed radially outwards via the guide collar 3010.
  • a first air guide duct 4 is designed as a comparatively narrow annular gap radially on the outside of the central fuel pipe 3 on the nozzle head DK.
  • Radially further out, the further air duct 5 is present as the radially outermost air duct on the nozzle head DK.
  • Air outlet openings of the two air ducts 4, 5 are axially set back relative to the fuel outlet opening 33, so that the end of the fuel pipe 3 and thus the fuel outlet opening 33 is axially opposite the air outlet openings of the two air ducts 4 and 5, based on the flow direction of the fuel defined by the fuel pipe 3 protrudes (cf. also Figure 14, which will be explained in more detail below).
  • Inner and outer walls 43 and 45 bordering the first air duct 4 thus end further upstream than the fuel pipe 3. The same applies to a radially further outermost wall 55 for the further, radially outermost air duct 5.
  • swirl elements in the form of axial air swirlers 51 are provided in the embodiment variant of FIG. This creates an external swirling air flow.
  • the inner air duct 4 can also be equipped with swirl elements, but the swirl imparted to the air here is less than that in the outer air duct 5).
  • a wired fuel flow can be generated via axial fuel swirlers 31 within the second pipe section 3B of the fuel pipe 3, which flows into the combustion chamber 1030 at the fuel outlet opening 33.
  • Flow body 30 continues to flow and then guided radially past the flow body 30 into the second pipe section of the fuel pipe 3 with the fuel swirlers 31.
  • the fuel flow guided on the flow body 30 over a large part of the length of the nozzle main body DR measured along the nozzle longitudinal axis L remains unmixed until it exits at the fuel outlet opening 33 and only meets the air flows from the two air guide channels 4 and 4 located radially further outwards downstream of the nozzle D 5.
  • the central, sealed guidance of the fuel in the fuel pipe 3 with the flow body 30 is particularly advantageous for highly flammable hydrogen in order to avoid flashbacks and premature self-ignition in the vicinity of the nozzle.
  • the air flows provided via the air guide channels 4 and 5 also ensure an advantageous recirculation zone formation downstream of the nozzle D in the combustion chamber 1030.
  • Figure 2 illustrates the flows downstream of the nozzle end to be realized with a nozzle D of the proposed nozzle assembly.
  • no individual longitudinally extending, peg-shaped flow body 30 is provided within the fuel pipe 3. Rather, two axially spaced first and second flow bodies 30A and 30B are provided here within the fuel pipe 3.
  • FIG. 1 In the embodiment variants of FIG.
  • the fuel flows from the annular space of the first pipe section 3A further through a second pipe section 3B in the direction of the fuel outlet opening 33, which is designed as a flow space with a circular cross section.
  • the fuel hit the further (second) downstream flow body 30B, which here is conical (with the tip of the cone pointing towards the first, upstream flow body 30A).
  • the fuel outlet opening 33 of the fuel pipe 3 is narrowed and also directed radially outwards.
  • the first upstream flow body 30A is also designed in the manner of a hub pin in the area of the fuel distributor 31 on the fuel pipe side.
  • the downstream second flow body 30B faces the combustion chamber 1030 with its blunt and essentially flat end face 301S.
  • Such a blunt end face 301S is also provided at the downstream end 301 of the continuous flow body 30 in FIG.
  • largely identical flow curves can then be achieved.
  • an inner deer circulation zone IRZ is created.
  • this inner deer circulation zone IRZ there is a comparatively large fuel concentration, which means that the combustion temperatures during operation of the engine T in the near field of the nozzle D are to be kept low. This results in a kind of “dead water area” with a lower proportion of combustion or mixed air in an inner recirculation zone IRZ.
  • Air is injected into the combustion chamber 1030 with a comparatively large axial impulse and low swirl from the inner air outlet opening of the radially inner air guide duct 4, which is designed as a narrow annular gap.
  • the air flow from the air outlet opening, which is also designed as an annular gap (with a larger cross-sectional area through which flows) of the radially outermost air guide duct 5, is in turn subject to strong swirling.
  • the air flow generated in this way envelops the central fuel flow, draws it in radially and thus creates a recirculation zone downstream of the nozzle D in which air and fuel mix and which then forms the swirl-stabilized, recirculating combustion zone VBZ.
  • the air flow enveloping the recirculating combustion zone VBZ also creates an air-rich zone in the front area of the combustion chamber 103 around the nozzle end of the nozzle D, which is marked in FIG. 2 as the outer recirculation zone ORZ.
  • the air flow in this outer recirculation zone ORZ thermally protects the nozzle D and a front combustion chamber wall of the combustion chamber 103 from the recirculating combustion zone VBZ.
  • Different designs of the fuel pipe 3, the air guide channels 4, 5 and in particular the flow body 30 or 30B within the fuel pipe 3 can be selected to influence the flow conditions without deviating from the proposed solution, for example with regard to the design. tion of the combustion chamber 103, the specification of different operating parameters of the engine T (e.g. example with regard to transient operating states, such as when accelerating and decelerating the engine T), the setting of certain flame shapes and flame positions, the reduction of pollutants formed, such as. B. of nitrogen oxides, and the reduction of thermal loads occurring on parts of the nozzle D and / or on the combustion chamber 103.
  • the engine T e.g. example with regard to transient operating states, such as when accelerating and decelerating the engine T
  • the setting of certain flame shapes and flame positions e.g. example with regard to transient operating states, such as when accelerating and decelerating the engine T
  • the reduction of pollutants formed such as. B. of nitrogen oxides
  • the central, peg-shaped flow body 30 is guided within the fuel pipe 3 upstream to a rear wall of the fuel pipe 3 or even to the end wall DW of the nozzle D.
  • the fuel pipe 3 thus has an annular cross section throughout along the nozzle longitudinal axis L.
  • radially extending support struts 303 are provided in the region of the upstream end 301 of the flow body 3 (as in the variant of FIG. 1) in order to stabilize the rotationally symmetrical flow body 30 in the region of the fuel outlet opening 33 and with the pipe walls of the fuel pipe 3 to connect.
  • the support struts 303 are positioned so that a swirl impressed or generated upstream of the air flow is not reduced or even destroyed.
  • one or more support struts 303 do not necessarily have to be formed close to the outlet of the fuel pipe 3, but can also be located further upstream, so that the flow in a subsequent (last) section of the fuel pipe 3 - after the disruption caused by the support struts 303 - can homogenize again.
  • the support struts 303 have been omitted. Only further upstream is a radial connection between the flow body 30 and the pipe wall of the fuel pipe 3 via the fuel swirlers 31.
  • FIGS. 4A to 4D An advantageous embodiment variant of the nozzle assembly for a defined ignition of the gas-air mixture during the central injection of the gaseous power Substance, in particular hydrogen, is shown in Figures 4A to 4D.
  • an ignition element in the form of a spark plug 20 is integrated into the flow body 30, which is designed in particular as explained above and below and is arranged in the nozzle assembly.
  • the nozzle main body DR is connected to the nozzle holder DH, through which the fuel supply line 1 is guided, which in the present case is connected to a central gas distribution chamber for supplying fuel.
  • the gas injection channel 16 and the flow body 30 are arranged centrally in the fuel pipe 3.
  • the first and in the embodiment according to FIGS.
  • the spark plug 20 is inserted into a coaxial cavity of the flow body 30 that is open towards the combustion chamber and is connected to a rear cable connection 25 (see FIG. 4C) with an ignition cable 19, which runs through a rear section of the flow body 30 and a support structure for fixing the flow body 30 in the fuel pipe 3, like support strut 303, is guided into a feed channel of the nozzle holder 1 for connection to an electrical supply or control device (not shown here).
  • the spark plug 20 has a central electrode 21 surrounded by an insulator 29 and a ground electrode 22 and is advantageously screwed with a thread 24 into a complementary receiving thread of the flow body 30.
  • the cable connection is located on the back of the spark plug 20 facing away from the combustion chamber 103. B. provided with a cable reel 26.
  • the spark plug 20 can be a small, compact version, e.g. B. with a candle length LK in the range between 20 mm and 40 mm, for example between 25 mm and 35 mm (typically with approx. 28 mm) with a diameter between approx. 6 mm and 12 mm, with an inner clear diameter D0 of the cavity is selected in coordination with the spark plug 20 and z. B. 8 mm and an average diameter D1 in the thread base e.g. B. 9 mm, with an outer one Diameter D2 of the nozzle head DK around the (here only one) air duct 4 outside z. B. 30 mm to 50 mm, for example about 36 mm.
  • the flow body 30 in the area of the fuel outlet opening 33 can also be provided with differently designed gas outlet channels 28, such as. B. shown in Figure 4D in the four adjacent illustrations and further shown in connection with the above and subsequent exemplary embodiments.
  • the fuel pipe 3 can, as shown, be provided with a combination of different structures in order to form a suitable fuel flow, for example also by means of an axial fuel swirler, which applies an angular momentum to the fuel flow .
  • the hub of the axial fuel swirler serves, for example, B. a rotationally symmetrical body, up to the area of the exit plane of the fuel pipe 3 (possibly a few mm beyond), which can be designed as an extension of the hub of the axial fuel swirler, and with additional support struts 303 at the end of the central fuel pipe 3 or also is provided without such struts, such as B. explained with reference to Figure 3A.
  • the spark plug 20 inserted in the central flow body 30 in the cavity 27 is sealed from the environment.
  • the nozzle main body DR can have one or more air channels 4, 5. These can also be provided with support elements, with or without swirl generation. One of these support elements can be used to pass through the ignition cable 19 or supply cable (if necessary additionally).
  • the spark plug sits axially appropriately in the flow body 30, so that an optimized interaction with the gaseous fuel and, for ignition, with the gas-air mixture is achieved.
  • any number of nozzles or nozzle assemblies of the structure mentioned can be equipped with a spark plug 20, for example with only one, in particular at or near the highest point of the combustion chamber 103 (since gas is lighter than air), or with several, e.g. B. evenly distributed over the circumference, or by arrangement in every second nozzle assembly or grouped in the nozzle assemblies, or integrated in all nozzle assemblies.
  • Figure 5 illustrates a possible additive manufacturing process for the nozzle main body DR with the internal fuel pipe 3. This is how it is
  • the nozzle main body DR with the flow body 30 located within the fuel pipe 3 is constructed from the nozzle end, which faces the combustion chamber 1030 when installed as intended.
  • the nozzle main body DR is built up in layers on a construction plate P and a support structure ST provided thereon along a vertical construction direction AR, which runs parallel to the nozzle longitudinal axis L, but opposite to the later flow direction of the fuel through the fuel pipe 3.
  • the nozzle main body DR with the flow body 30 is consequently built up additively here as an integral component along the vertical on the mounting plate P.
  • the first upstream flow body 30A which is cone-shaped and is provided in the area of the fuel swirler 31 in the manner of a hub body, does not extend beyond half the length of the fuel pipe 3.
  • the second flow body 30B which is arranged further downstream, is each conical and defines the fuel outlet opening 33.
  • the fuel pipe 3 is locally narrowed in the area of the fuel outlet opening 33 via the second flow body 30B.
  • the respective flow body 30B is conical, with the blunt end face 301S facing the combustion chamber 1030 and the tapered end lying upstream and pointing in the direction of the first flow body 30A.
  • FIG. 6A While in the embodiment variant of FIG. 6A the tapering end facing the first flow body 30A tapers to a point, in the embodiment variant of FIG. 6B this end is convexly curved. This can be accompanied by a desired flow influence in the direction of the fuel outlet opening 33.
  • the end shown in FIG. 6B is merely an example of an aerodynamically optimized shape. Other aerodynamically advantageous shapes are of course also possible, such as ovoid, ogive, hemisphere or cone (with an optional blunt or rounded tip).
  • Figures 7A to 9B illustrate different options for providing additional protruding sections 304 on an outer lateral surface of the respective flow body 30B or 30 (at least in the area of the end 301 near the fuel outlet opening).
  • protruding ribs 304 are provided, which run circumferentially around the nozzle longitudinal axis L and are axially spaced apart from one another. This can be used to improve heat transfer from the typically metallic flow body 30B or 30 to the fuel that can be used for cooling.
  • blunt end face 301S does not necessarily have to be completely flat, but can also be concave (in the direction of the interior of the fuel pipe 3).
  • individual ribs 304 on an outer lateral surface of the respective flow body 30B or 30 are spaced apart from one another in the circumferential direction about the nozzle longitudinal axis L and are each designed to extend longitudinally.
  • a convex curvature of the blunt end face 301 S is provided here as an example.
  • a rib structure with ribs 304 is provided on a respective outer lateral surface of a flow body 30B or 30, each of which is oblique to the nozzle longitudinal axis L and thus, for example, a section following a spiral around the nozzle longitudinal axis L (ie helically) along the lateral surface.
  • a rib structure with ribs 304 is provided on a respective outer lateral surface of a flow body 30B or 30, each of which is oblique to the nozzle longitudinal axis L and thus, for example, a section following a spiral around the nozzle longitudinal axis L (ie helically) along the lateral surface.
  • a radial movement component can also be (additionally) impressed on the fuel flow via the respective rib structure.
  • the protruding ribs 304 of Figures 9A and 9B are consequently arranged on the outer lateral surface in such a way that any swirl that has already been specifically imposed on the fuel flow is not counteracted or such a swirl may even be supported.
  • Figures 10A and 10B show different views of an alternative surface treatment of the lateral surface of the second conical flow body 30B.
  • a plurality of depressions 305 for example in the form of bores or dents, are provided on the lateral surface around which the flow flows. This also positively influences the flow along the lateral surface of the flow body 30B with a view to improved heat transfer.
  • Figure 11 shows a design analogous to the variant in Figures 10A and 10B of a continuous flow body 30 with a plurality of equally distributed depressions 305 on its outer surface.
  • Figures 12 and 13 show examples of two different configurations of the nozzle main body DR with the nozzle head DK without a flow body arranged within the fuel pipe 3.
  • no axial twister 51 is provided in the radially outermost air guide duct 5 of the embodiment variant of FIG. 13.
  • one or more radial twisters 52 are arranged here within the radially outermost air guide duct 5.
  • an (outflow) edge of the fuel pipe 3 projects axially furthest along the nozzle longitudinal axis L, so that its fuel outlet opening lies in the area of a first virtual (exit) plane E3, which runs perpendicular to the nozzle longitudinal axis L and lies further downstream than further virtual levels E1 and E2, in which the air outlet openings of the radially outermost air duct 5 and the inner air duct 4 are located.
  • the level E3 of the central fuel pipe 3 therefore projects deepest into the combustion chamber 1030.
  • the exit plane E2 of the inner air guide duct 4, which adjoins radially further out, is aligned with this or is - as shown in Figure 14 - axially set back and therefore penetrates slightly less into the combustion chamber 1030.
  • the air outlet opening of the radially outermost air guide duct 5 with the air swirler 51 (or 52) is set back the furthest axially.
  • e3 > e2 > e1 can apply to penetration depths e3, e2, e1 of the respective outlet openings or channels and pipes.
  • the (exit) level E3 of the fuel pipe res 3 is therefore the furthest in the combustion chamber 1030 and therefore penetrates the furthest into the combustion chamber 1030.
  • the (exit) level E2 of the inner air duct 4 is on the same level as this level E3 or penetrates slightly less into the combustion chamber 1030, while the (exit) level 1 of the outermost air duct 5, which serves for (stronger) air swirl, with the inner one Air duct 4 ends at the same level or penetrates slightly less into the combustion chamber 1030.
  • the axial offset of the air outlet and fuel outlet openings can, for example, make it possible to reduce thermal stress on the components of the nozzle D at the nozzle end. This creates zones in which fuel and air come into contact with one another and heat can be released as a result of a chemical combustion reaction, further downstream from the nozzle D.
  • the interaction of the individual flow paths with one another, in particular the influence of any swirl that may be imposed, can be adjusted more precisely via the set axial offset. This can be particularly advantageous for any adjustment of the stability behavior of the burner, the flame shape and flame position, the pollutant formation rate (in the case of hydrogen with regard to nitrogen oxides) and a thermal load on the nozzle D and the combustion chamber 103.
  • the combustion chamber end of the central fuel pipe 3 in the area of the fuel outlet opening 33 can be designed differently geometrically. But especially with a view to a fuel to be injected in gaseous form with fast reaction kinetics, such as. B. hydrogen, it must be taken into account that a flame can anchor itself very close to the nozzle end of the nozzle D.
  • a corresponding anchor point of the recirculating combustion zone VBZ can be located directly on the trailing edge of the fuel pipe 3.
  • Figures 15A, 15B and 15C illustrate exemplary different design options for an edge of the fuel pipe 3 that faces the combustion chamber 1030 and borders the fuel outlet opening 33.
  • the fuel pipe 3 has a radially outwardly inclined chamfer 330 on the edge surrounding the nozzle longitudinal axis L, which tapers to a point towards the axial end of the fuel pipe 3.
  • a tapered chamfer 330 has the advantage that the fuel and air flows meet each other tangentially. As a result, a comparatively high outflow velocity of the flows from the nozzle D is maintained and the heat release in the area of the anchor point mentioned above remains low.
  • the tapered chamfer 330 can be disadvantageous in view of the fact that heat introduced in the area of the tip cannot be dissipated sufficiently quickly via the pipe wall of the fuel pipe 3. This can pose a danger This means that the tip will be thermally overloaded during operation of the engine T if no further measures are taken.
  • Figures 15B and 15C show an alternative design of a final geometry of the fuel pipe 3.
  • the radially outwardly inclined chamfer 330 merges into a blunt final geometry.
  • the final geometry of the embodiment variant of Figure 15C opens into a blunt final plane.
  • fuel and air flows no longer meet one another in such an (ideal) tangential manner as in the variant of Figure 15A.
  • the blunt end geometry creates a small “dead water area” downstream of the end geometry, in which fuel and air can mix and in which a locally high level of heat release can occur as a result of combustion.
  • the heat introduced into the final geometry can be better transported away by heat conduction in the pipe wall of the fuel pipe than in the case of a tapered chamfer 330 according to FIG. 15A.
  • inlet lips 450 and 550 are formed on the outer wall 45 and the outermost wall 55 upstream. Via these inlet lips 450 and 550, air from the compressor V, which flows past the nozzle main body DR, is directed radially inwards into the air guide channels 4 and 5. In this way, in particular, any adverse flow into the air ducts 4 and 5 can be effectively counteracted by a comparatively thick head region of the nozzle main body DR, so that a sufficiently large amount of air still reaches the air ducts 4 and 5.
  • Figures 17A and 17B illustrate possible designs of an end region of the radially inner air guide duct 4.
  • a local narrowing of the inner air duct 4 towards its air outlet opening is provided. Sections of the inner and outer walls 43 and 45 are thus brought closer to one another in the area of the air outlet opening.
  • the inner air duct 4 thus narrows in the shape of a nozzle in order to further increase the exit speed of the inflowing air.
  • Figure 17B also shows a slight radial deflection of the air flow in the direction of the nozzle longitudinal axis L.

Abstract

The invention relates to a nozzle assembly for a combustor (103) of an engine (T), comprising at least one nozzle (D) for injecting fuel into a combustion chamber (1030) of the combustor (103), wherein the nozzle (D) comprises a nozzle main body (DR) extending along a nozzle longitudinal axis (L) and having a nozzle head (DK), and a nozzle holder (DH) connected to the nozzle main body (DR) and having at least one fuel supply line (1). The nozzle main body (DR) comprises a central fuel pipe (3) extending along the nozzle longitudinal axis (L) and at least two radially spaced-apart air guide channels (4, 5) on the nozzle head with a respective at least one air outlet opening.

Description

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Figure imgf000003_0001
Düsenbaugruppe mit zentraler Kraftstoffzufuhr und wenigstens einem Luftkanal Nozzle assembly with central fuel supply and at least one air duct
Beschreibung Description
Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für eine Brennkammer eines Triebwerks mit wenigstens einer Düse zum Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, in einen Brennraum der Brennkammer., wobei die Düse einen sich entlang einer Düsenlängsachse erstreckenden Düsenhauptkörper mit Düsenkopf und einen mit dem Düsenhauptkörper verbundenen und mindestens eine Kraftstoffzuleitung aufweisenden Düsenhalter umfasst. The invention relates to a nozzle assembly for a combustion chamber of an engine with at least one nozzle for injecting gaseous fuel, in particular hydrogen, into a combustion chamber of the combustion chamber comprises a nozzle holder having a fuel supply line.
Düsenbaugruppen für Brennkammern für Triebwerke sind weithin in unterschiedlicher Ausprägung bekannt. Fokus bisher üblicher Düsen solcher Düsenbaugruppen ist die Eindüsung von Kraftstoffen, bei welcher vor allem im Falle gasförmiger Kraftstoffe bereits innerhalb der Düse eine Vermischung des Kraftstoffs mit Luft erfolgt, um so unmittelbar stromab des Düsenendes ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen. Bei Anwendungen hingegen die mit flüssigen Kraftstoffen betrieben werden, z. B. Kerosin oder Diesel, wird häufig die Luftströmung durch die Düse zur Zerstäubung (oder zumindest deren Unterstützung) der Kraftstoffe zu Sprays innerhalb der Düse oder direkt stromab derselbigen genutzt. Typischerweise wird bei beiden genannten Ansätzen die zuzumischende Luft bereits innerhalb der Düse verdraht, sodass stromab des Düsenendes eine drallbehaftete Kraftstoff-Luft-Strömung mit Turbulenz und Rezirkulation entsteht, die für eine Verbrennung als vorteilhaft eingestuft wird. Nozzle assemblies for combustion chambers for engines are widely known in various forms. The focus of previously common nozzles of such nozzle assemblies is the injection of fuels, in which, especially in the case of gaseous fuels, the fuel is mixed with air within the nozzle in order to produce a combustible fuel-air mixture immediately downstream of the nozzle end. However, in applications that run on liquid fuels be, e.g. B. Kerosene or diesel, the air flow through the nozzle is often used to atomize (or at least support) the fuels into sprays within the nozzle or directly downstream of it. Typically, in both approaches mentioned, the air to be mixed in is already wired within the nozzle, so that a swirling fuel-air flow with turbulence and recirculation is created downstream of the nozzle end, which is classified as advantageous for combustion.
Derartige verschiedene Düsenbaugruppen sind in den Druckschriften US 4 842 509 A, der DE 10 62 873 A, der GB 2 593 123 A, der US 5 117 637 A, der US 4 483 138 A, der DE 103 14 941 A1 , der US 9 488 108 B2 und auch in der US 5 636 511 A in verschiedenen Ausgestaltungen gezeigt. Z. B. ist bei letzterer in einem zentralen Rohr ein koaxiales Zündaggregat mit einem Keramikkörper angeordnet, auf den ein gehärteter Platindraht in Form einer Spule aufgewickelt ist. In dem zentralen Rohr erfolgt eine Mischung von Brennstoff und Luft, wobei in der Umwandung des zentralen Rohrs um das Zündaggregat Öffnungen zum Zuführen von Luft eingebracht sind, die über einen mittels eines äußeren koaxialen Rohres gebildeten Ringkanal zugeführt wird. Such different nozzle assemblies are in the publications US 4 842 509 A, DE 10 62 873 A, GB 2 593 123 A, US 5 117 637 A, US 4 483 138 A, DE 103 14 941 A1, US 9 488 108 B2 and also in US 5 636 511 A shown in various embodiments. For example, in the latter, a coaxial ignition unit with a ceramic body is arranged in a central tube, onto which a hardened platinum wire is wound in the form of a coil. A mixture of fuel and air takes place in the central tube, with openings for supplying air being introduced in the wall of the central tube around the ignition unit, which is supplied via an annular channel formed by an outer coaxial tube.
In neuerer Zeit werden verstärkt Konzepte für Flugtriebwerke entwickelt, bei denen das Triebwerk teilweise oder vollständig mit Wasserstoff oder anderen gasförmig einzudüsenden Kraftstoffen betrieben wird, wie dies z. B. in der US 4,713,938 A1 für eine Gasturbine zur Stromerzeugung angedacht ist. Soll dann aber ein Triebwerk bei möglichst gleichbleibender Konstruktion z. B. mit Wasserstoff anstelle von Kerosin oder Diesel betrieben werden, ist eine abweichende Eindüsung notwendig, da der Kraftstoff gasförmig in den Brennraum eingebracht wird und im Falle von z. B. Wasserstoff zudem deutlich kürzere Zündverzugszeiten und höhere Flammengeschwindigkeiten aufweist. Vor diesem Hintergrund ist die Düsenbaugruppe des Anspruchs 1 vorgeschlagen, die insbesondere eine Düse zum Eindüsen von Wasserstoff in einen Brennraum einer triebwerkseitigen Brennkammer umfasst, die jedoch auch zum Eindüsen von anderen Kraftstoffen, insbesondere gasförmigen Kraftstoffen geeignet ist. Recently, concepts for aircraft engines have been increasingly developed in which the engine is partially or completely operated with hydrogen or other fuels to be injected in gaseous form, as is the case, for example. B. in US 4,713,938 A1 is intended for a gas turbine for generating electricity. But if an engine is to be built with the same design as possible, e.g. B. operated with hydrogen instead of kerosene or diesel, a different injection is necessary because the fuel is introduced into the combustion chamber in gaseous form and in the case of e.g. B. Hydrogen also has significantly shorter ignition delay times and higher flame speeds. Against this background, the nozzle assembly of claim 1 is proposed, which in particular comprises a nozzle for injecting hydrogen into a combustion chamber of an engine-side combustion chamber, but which is also suitable for injecting other fuels, in particular gaseous fuels.
Eine vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst hierbei eine Düse mit einem Düsenhauptkörper, der ein zentrales, sich entlang der Düsenlängsachse erstreckendes Kraftstoffrohr umfasst. An dem Düsenkopf sind ferner wenigstens zwei radial zueinander beabstandete Luftleitkanäle mit jeweils wenigstens einer Luftaustrittsöffnung vorgesehen, sodass am Düsenende eine zentrale Kraftstoffaustrittöffnung des Kraftstoffrohres und radial weiter außen die wenigstens zwei Luftaustrittsöffnungen der zwei Luftleitkanäle ausgebildet sind. A proposed nozzle assembly includes a nozzle with a nozzle main body, which includes a central fuel pipe extending along the longitudinal axis of the nozzle. At least two radially spaced air ducts, each with at least one air outlet opening, are also provided on the nozzle head, so that a central fuel outlet opening of the fuel pipe is formed at the nozzle end and the at least two air outlet openings of the two air ducts are formed radially further out.
Über Luftleitkanäle ist zur Vermischung mit dem aus der Kraftstoffaustrittsöffnung ausgebrachten Kraftstoff vorgesehene Luft in den Brennraum einbringbar. An dem Düsenkopf sind somit wenigstens zwei bezüglich des inneren bzw. zentralen Kraftstoffrohres radial weiter außen liegende Luftleitkanäle vorgesehen. Air intended for mixing with the fuel discharged from the fuel outlet opening can be introduced into the combustion chamber via air guide channels. At least two air guide channels located radially further outward with respect to the inner or central fuel pipe are therefore provided on the nozzle head.
Das Kraftstoff rohr kann mit seiner Kraftstoffaustrittsöffnung gegenüber den Luftaustrittsöffnungen der Luftleitkanäle, bezogen auf die Düsenlängsachse, axial vorstehen Die Kraftstoffaustrittsöffnung liegt damit in einer durch das Kraftstoffrohr definierten Strömungsrichtung, entlang der der Kraftstoff innerhalb des Düsenhauptkörpers geführt ist, mindestens genau so weit oder weiter stromab als die Luftaustrittsöffnungen der Luftleitkanäle. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Kraftstoffaustrittsöffnung am weitesten stromab angeordnet ist, also jede Luftaustrittsöffnung bezogen auf die Düsenlängsachse axial zu der Kraftstoffaustrittsöffnung des Kraftstoffrohres zurückgesetzt angeordnet ist. Hierüber kann der Kraftstoff somit weiter stromab in den Brennraum eingedüst werden als Luft über die radial außen liegenden Luftleitkanäle. Dies unterstützt, dass die Wärmefreisetzung infolge Verbrennung des sich stromab der Düse einstellenden Gemischs aus Kraftstoff und Luft die Düse nicht in kritischer Weise thermisch belastet. The fuel pipe can protrude axially with its fuel outlet opening relative to the air outlet openings of the air guide channels, based on the longitudinal axis of the nozzle. The fuel outlet opening is therefore in a flow direction defined by the fuel pipe, along which the fuel is guided within the nozzle main body, at least as far or further downstream as the air outlet openings of the air ducts. In particular, in this context it can be provided that the fuel outlet opening is arranged furthest downstream, i.e. each air outlet opening is arranged axially set back from the fuel outlet opening of the fuel pipe with respect to the nozzle longitudinal axis. This means that the fuel can be injected further downstream into the combustion chamber than air via the radially outer air guide channels. This supports the heat release As a result of combustion of the mixture of fuel and air occurring downstream of the nozzle, the nozzle is not thermally stressed in a critical manner.
Weiterhin sorgt die über die wenigstens zwei Luftleitkanäle eingeströmte Luft für eine luftreiche Zone in einem vorderen Bereich der Brennkammer um das Düsenende herum (eine sogenannte äußere Rezirkulationszone). Hierdurch können die Düse und eine die Düse umgebende Brennkammerwand der Brennkammer vor der Verbrennungszone thermisch geschützt werden. Luftaustrittsöffnungen der unterschiedlichen Luftleitkanäle können hierbei jeweils als Ringspalt, insbesondere als Kreisringspalt ausgebildet sein. Furthermore, the air flowing in via the at least two air guide channels ensures an air-rich zone in a front area of the combustion chamber around the nozzle end (a so-called outer recirculation zone). As a result, the nozzle and a combustion chamber wall of the combustion chamber surrounding the nozzle can be thermally protected from the combustion zone. Air outlet openings of the different air guide channels can each be designed as an annular gap, in particular as an annular gap.
Grundsätzlich können die wenigstens zwei radial zueinander beabstandeten Luftleitkanäle des Düsenkopfes Luftströmungen mit unterschiedlicher Luftmenge, unterschiedlichem Drall und insbesondere auch unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit bereitstellen. Hierfür kann eine äußere Luftaustrittsöffnung eines radial äußersten Luftleitkanals der wenigstens zwei Luftleitkanäle eine größere Querschnittsfläche aufweisen als eine innere Luftaustrittsöffnung eines inneren Luftleitkanals der wenigstens zwei Luftleitkanäle, der an dem Düsenkopf zwischen dem radial äußersten Luftleitkanal und einem Abschnitt des Kraftstoffrohres verläuft. Beispielsweise ist vorgesehen, dass eine äußere Luftaustrittsöffnung eines radial äußersten Luftleitkanals der wenigstens zwei Luftleitkanäle eine wenigstens um den Faktor 2, 4 oder 6 größere (im Betrieb der Brennkammer bzw. des Triebwerks von Luft durchströmte) Querschnittsfläche aufweist als eine innere Luftaustrittsöffnung eines inneren Luftleitkanals der wenigstens zwei Luftleitkanäle. In principle, the at least two radially spaced air guide channels of the nozzle head can provide air flows with different air quantities, different swirls and in particular also different flow speeds. For this purpose, an outer air outlet opening of a radially outermost air duct of the at least two air ducts can have a larger cross-sectional area than an inner air outlet opening of an inner air duct of the at least two air ducts, which runs on the nozzle head between the radially outermost air duct and a section of the fuel pipe. For example, it is provided that an outer air outlet opening of a radially outermost air duct of the at least two air ducts has a cross-sectional area that is at least a factor of 2, 4 or 6 larger (through which air flows during operation of the combustion chamber or the engine) than an inner air outlet opening of an inner air duct of the at least two air ducts.
Der innere Luftleitkanal ist an dem Düsenkopf zwischen dem radial äußersten Luftleitkanal und einem Abschnitt des Kraftstoffrohres verlaufend vorgesehen. Über den radial inneren Luftleitkanal wird beispielsweise eine Luftströmung mit vergleichsweise hohem axialen Impuls bereitgestellt und mit geringerem Drall als der äußere Luftleitkanal oder keinem Drall. In diesem Zusammenhang ist folglich vorgesehen, dass der radial innere Luftleitkanal zur Bereitstellung einer nicht drallbehafteten Luftströmung in den Brennraum eingerichtet und vorgesehen ist. Alternativ kann der radial innere Luftleitkanal zur Bereitstellung einer zwar drallbehafteten Luftströmung in den Brennraum eingerichtet und vorgesehen sein, der Drall der Luftströmung aus dem inneren Luftleitkanal ist aber geringer eingestellt als der Drall der Luftströmung, die (im Betrieb der Brennkammer) über den radial äußeren oder äußersten Luftleitkanal in den Brennraum einströmt. Über den radial inneren Luftleitkanal muss somit zwar nicht, kann aber auch eine Luftströmung mit aufgeprägtem Drall erzeugbar sein. Eine Drallaufprägung kann hierbei beispielsweise hinsichtlich des Stabilitätsverhaltens des Brenners, der Flammenform und/oder Flammenposition, der Schadstoffbildungsrate und der thermischen Belastung der Düse von Vorteil sein. Insbesondere können die Luftleitkanäle dann derart ausgebildet sein, das die Luftströmung aus dem inneren Luftleitkanal einen Drall aufweist, der um ein definiertes Maß, z. B. um mehr als 50 % oder um mehr als 60 %, geringer ist als ein Drall der Luftströmung aus dem äußeren Luftleitkanal. Derart erfolgt die Luftströmung aus dem radial inneren Luftleitkanal beispielsweise weiterhin vornehmlich tangential zur Einströmung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffrohr und dabei zumindest mit größerer Axialkomponente als eine Luftströmung aus dem äußeren Luftleitkanal. Die Luftströmung aus dem radial inneren und an das Kraftstoffrohr angrenzenden, inneren Luftleitkanal unterstützt somit eine Verlagerung der Zonen chemischer Verbrennungsreaktionen möglichst weit in den Brennraum hinein. The inner air duct is provided on the nozzle head between the radially outermost air duct and a section of the fuel pipe. For example, an air flow with a comparatively high axial momentum is provided via the radially inner air duct and with less swirl than the outer air duct or no swirl. In this context it is therefore envisaged that the Radial inner air duct is set up and provided to provide a non-swirling air flow into the combustion chamber. Alternatively, the radially inner air duct can be set up and provided to provide a swirling air flow into the combustion chamber, but the swirl of the air flow from the inner air duct is set to be less than the swirl of the air flow which (during operation of the combustion chamber) via the radially outer or outermost air duct flows into the combustion chamber. An air flow with an imposed swirl does not have to be able to be generated via the radially inner air guide channel, but it can also be possible. Swirl imprinting can be advantageous, for example, with regard to the stability behavior of the burner, the flame shape and/or flame position, the pollutant formation rate and the thermal load on the nozzle. In particular, the air ducts can then be designed in such a way that the air flow from the inner air duct has a swirl that is increased by a defined amount, e.g. B. by more than 50% or more than 60%, is less than a swirl of the air flow from the outer air duct. In this way, the air flow from the radially inner air duct, for example, continues to occur primarily tangentially to the inflow of fuel from the fuel pipe and at least with a larger axial component than an air flow from the outer air duct. The air flow from the radially inner inner air guide channel adjacent to the fuel pipe thus supports a displacement of the zones of chemical combustion reactions as far as possible into the combustion chamber.
Der radial äußerste Luftleitkanal mit dem größeren durchströmten Querschnitt ist in einer Ausführungsvariante damit vor allem zur Bereitstellung einer drallbehafteten Luftströmung in den Brennraum hinein vorgesehen. Hiermit kann eine Luftströmung am Düsenende erzeugt werden, die die Kraftstoffströmung umhüllt, radial aufzieht und somit eine Rezirkulationszone stromab des Düsenendes erzeugt, in der sich Luft und Kraftstoff mischen und sich eine drallstabilisierte, rezirkulierende Verbrennungszone ausbildet. Die die Verbrennungszone umhüllende Luft aus den Luftleitkanälen stellt in einem vorderen Bereich der Brennkammer zudem eine luftreiche Zone um die Düse herum zur Verfügung (eine sogenannte äußere Rezirkulationszone). Hierdurch können die Düse und eine Brennkammerwand der Brennkammer vor der Verbrennungszone thermisch geschützt werden. In one embodiment variant, the radially outermost air guide duct with the larger cross-section through which flow is provided is primarily intended to provide a swirling air flow into the combustion chamber. This allows an air flow to be generated at the nozzle end, which envelops the fuel flow, draws it up radially and thus creates a recirculation zone downstream of the nozzle end, in which air and fuel mix and a swirl-stabilized, recirculating combustion zone is formed. The air from the air ducts surrounding the combustion zone also creates an air-rich zone in a front area of the combustion chamber available around the nozzle (a so-called external recirculation zone). This allows the nozzle and a combustion chamber wall of the combustion chamber to be thermally protected from the combustion zone.
Für die Bildung einer wirkungsvollen Rezirkulationszone kann ferner von Vorteil sein, wenn, wie erläutert, die über den äußersten Luftleitkanal in den Brennraum eingebrachte Luftströmung einen Drall aufweist, während die Luftströmung aus dem inneren Luftleitkanal nicht drallbehaftet ist, oder die über den äußersten Luftleitkanal in den Brennraum eingebrachte Luftströmung zumindest einen größeren Drall aufweist als die Luftströmung aus dem inneren Luftleitkanal. Beispielsweise sind hierfür wenigstens in einem radial äußersten Luftleitkanal der wenigstens zwei Luftleitkanäle ein oder mehrere Axialverdraller oder Radialverdraller vorgesehen. For the formation of an effective recirculation zone, it can also be advantageous if, as explained, the air flow introduced into the combustion chamber via the outermost air duct has a swirl, while the air flow from the inner air duct is not swirling, or the air flow into the combustion chamber via the outermost air duct Air flow introduced into the combustion chamber has at least a greater swirl than the air flow from the inner air duct. For example, one or more axial twisters or radial twisters are provided for this purpose at least in a radially outermost air duct of the at least two air ducts.
Zur Bereitstellung einer ausreichenden Luftmenge, insbesondere für eine vorstehend erläuterte äußere Rezirkulationszone, über die Düse können wenigstens an einem radial äußersten Luftleitkanal der wenigstens zwei Luftleitkanäle eine oder mehrere radial nach innen weisende Einlauflippen vorgesehen sein, um Luft in den radial äußersten Luftleitkanal und gegebenenfalls auch in einen radial weiter innen liegenden weiteren Luftleitkanal hinein zu leiten. Die eine oder mehreren Einlauflippen führen somit im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand der Düsenbaugruppe beispielsweise auch dazu, dass aus einer Verdichterstufe kommende und um den Düsenhauptkörper geführte Luft radial nach innen in den radial äußersten Luftleitkanal und gegebenenfalls auch in einen radial weiter innen liegenden weiteren Luftleitkanal hinein geführt wird. Die Verwendung von Einlauflippen für einen oder mehrere Luftleitkanäle kann dabei insbesondere für einen Kopfbereich der Düse von Vorteil sein, der vergleichsweise dick baut und der damit unter Umständen zunächst dafür hinderlich ist, eine ausreichend große Luftmenge axial in den oder die Luftleitkanäle einströmen zu lassen. In einer Ausführungsvariante kann eine lokale Verengung des inneren Luftleitkanals zu dessen Luftaustrittsöffnung hin vorgesehen sein. Abschnitte von inneren und äußeren den inneren Luftleikanal berandenden und sich gegenüberliegenden (Kanal-) Wandungen nähern sich hier somit im Bereich der Luftaustrittsöffnung aneinander an. Damit kann sich der innere Luftleitkanal z. B. düsenförmig verengen, wodurch eine Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit der einströmenden Luft erreicht werden kann. Zudem kann über eine solche Verengung auch eine Umlenkung der Luftströmung radial nach innen, d. h. in Richtung der Düsenlängsachse L, erreicht werden. In order to provide a sufficient amount of air, in particular for an outer recirculation zone explained above, via the nozzle, one or more radially inwardly pointing inlet lips can be provided at least on a radially outermost air duct of the at least two air ducts in order to feed air into the radially outermost air duct and, if necessary, also in to guide a further air guide channel located radially further inside. When the nozzle assembly is installed as intended, the one or more inlet lips also lead, for example, to air coming from a compressor stage and guided around the nozzle main body being guided radially inwards into the radially outermost air duct and possibly also into a further air duct located radially further inwards . The use of inlet lips for one or more air ducts can be particularly advantageous for a head area of the nozzle that is comparatively thick and which may therefore initially be an obstacle to allowing a sufficiently large amount of air to flow axially into the air duct(s). In one embodiment variant, a local narrowing of the inner air duct towards its air outlet opening can be provided. Sections of inner and outer walls bordering the inner air duct and opposing each other (duct) walls thus approach each other in the area of the air outlet opening. This means that the inner air duct can be z. B. narrow in the shape of a nozzle, whereby an increase in the exit speed of the inflowing air can be achieved. In addition, a deflection of the air flow radially inwards, ie in the direction of the nozzle longitudinal axis L, can also be achieved via such a narrowing.
Innerhalb des zentralen Kraftstoff roh res kann ein zentral angeordneter Strömungskörper vorgesehen sein, an dessen äußerer Mantelfläche dem Kraftstoffrohr zugeführter Kraftstoff entlang in Richtung einer Kraftstoffaustrittsöffnung des Kraftstoffrohres strömen kann, über die der Kraftstoff in den Brennraum einbringbar ist. Ein solcher zentraler Strömungskörper kann hierbei in Kombination mit den wenigstens zwei Luftleitkanälen vorgesehen sein. Grundsätzlich kann sich aber die Verwendung eines solchen zentralen Strömungskörpers auch bei anderen Gestaltungen eines Düsenkopfes mit einem zentralen Kraftstoffrohr vorteilhaft anbieten, z. B. in Kombination mit nur einem umgebenden koaxialen Luftleitkanal. A centrally arranged flow body can be provided within the central fuel pipe, on the outer surface of which fuel supplied to the fuel pipe can flow along in the direction of a fuel outlet opening of the fuel pipe, via which the fuel can be introduced into the combustion chamber. Such a central flow body can be provided in combination with the at least two air guide channels. In principle, however, the use of such a central flow body can also be advantageous in other designs of a nozzle head with a central fuel pipe, e.g. B. in combination with only one surrounding coaxial air duct.
Der zentral angeordnete Strömungskörper kann axial von Kraftstoff umströmt werden und damit der Vergleichmäßigung der Kraftstoffströmung innerhalb des Kraftstoffrohres und/oder der Beeinflussung der Strömungsrichtung des Kraftstoffs an der Kraftstoffaustrittsöffnung dienen. In dem Kraftstoffrohr kann folglich über mindestens eine Kraftstoffzuleitung in einem Düsenhalter der Düse zugeführter Kraftstoff innerhalb des Düsenhauptkörpers bis an die Kraftstoffaustrittsöffnung des Kraftstoff roh res führbar sein, die durch ein Ende des Strömungskörpers mitdefiniert ist. Mithilfe des (stromabseitigen) Endes des Strömungskörpers kann hierbei der Kraftstoff insbesondere mit einer radial nach außen weisenden Strömungskomponente in den Brennraum eingedüst werden und/oder ein Strömungsfeld in dem Brennraum positiv beeinflussen. Grundsätzlich kann sich ein innerhalb des Kraftstoffrohres vorgesehener Strömungskörper mit einem Ende bis zum Düsenende, und dabei insbesondere bis zur Kraftstoffaustrittsöffnung erstrecken. Beispielsweise kann hierbei der Strömungskörper am Düsenende gegenüber einem radial weiter außen liegenden Rand der Kraftstoffaustrittsöffnung axial vorstehen, d. h. über den Rand der Kraftstoffaustrittsöffnung zumindest geringfügig axial hinausragen. Bei einem axial vorstehenden Strömungskörper ist beispielsweise vorgesehen, dass der Strömungskörper in einem Maß herausragt, das 5 % oder 10 % des Durchmessers des zentralen Kraftstoffrohrs beträgt. Fuel can flow axially around the centrally arranged flow body and thus serve to even out the fuel flow within the fuel pipe and/or to influence the flow direction of the fuel at the fuel outlet opening. In the fuel pipe, fuel supplied to the nozzle via at least one fuel supply line in a nozzle holder can therefore be guided within the nozzle main body up to the fuel outlet opening of the fuel pipe, which is also defined by an end of the flow body. With the help of the (downstream) end of the flow body, the fuel can be injected into the combustion chamber, in particular with a flow component pointing radially outwards, and/or can positively influence a flow field in the combustion chamber. In principle, a flow body provided within the fuel pipe can extend with one end to the nozzle end, and in particular to the fuel outlet opening. For example, the flow body at the nozzle end can protrude axially relative to an edge of the fuel outlet opening that is located radially further out, that is, it can protrude at least slightly axially beyond the edge of the fuel outlet opening. In the case of an axially projecting flow body, for example, it is provided that the flow body protrudes to an extent that is 5% or 10% of the diameter of the central fuel pipe.
In Kombination mit dem Strömungskörper besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung in Verbindung mit der zentralen Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff, namentlich Wasserstoff, in den Brennraum darin, dass in das Kraftstoffrohr, insbesondere in den Strömungskörper, eine Zündkerze mit ihrem frontseitigen Zündabschnitt der Brennkammer zugekehrt integriert ist. Auf diese Weise lässt sich durch den Einsatz einer vorteilhaften kleinen Zündkerze, die mit geringem Energieaufwand betrieben werden kann, eine Feineinstellung der in den Brennraum eingeleiteten Brennstoffströmung in Abstimmung auf optimale Zündbedingungen erreichen. In combination with the flow body, an advantageous embodiment in connection with the central injection of gaseous fuel, namely hydrogen, into the combustion chamber is that a spark plug is integrated into the fuel pipe, in particular into the flow body, with its front ignition section facing the combustion chamber. In this way, by using an advantageous small spark plug that can be operated with little energy expenditure, a fine adjustment of the fuel flow introduced into the combustion chamber can be achieved in coordination with optimal ignition conditions.
In vorteilhafter weiterer Ausbildung ist dabei vorgesehen, dass die Zündkerze in einem zentralen Hohlraum des Strömungskörpers aufgenommen ist. Dies ergibt einen definierten, präzisen Einbau, wobei der Hohlraum in den Strömungskörper z. B. durch eine zentrale, koaxial zur Längsachse in den Strömungskörper eingebrachte Bohrung, z. B. vorderseitig offene Sacklochbohrung, ausgebildet sein kann. In an advantageous further embodiment it is provided that the spark plug is accommodated in a central cavity of the flow body. This results in a defined, precise installation, with the cavity in the flow body z. B. through a central hole introduced into the flow body coaxially to the longitudinal axis, e.g. B. open blind hole on the front, can be formed.
Dabei ist auch vorteilhaft, dass ein Kabelanschluss zur elektrischen Ansteuerung der Zündkerze durch den Strömungskörper, beispielsweise eine auf der Rückseite des Hohlraums eingebrachte Durchführung, und gegebenenfalls ein Trageelement, insbesondere Stützstrebe, einer den Strömungskörper im Kraftstoff rohr haltenden Tra- gestruktur sowie durch den Düsenhalter geführt ist. Der Einbau der Zündkerze sowie die Kabelführung sind leckdicht ausgebildet. It is also advantageous that a cable connection for electrically controlling the spark plug through the flow body, for example a bushing introduced on the back of the cavity, and optionally a support element, in particular a support strut, a support that holds the flow body in the fuel pipe. structure and guided through the nozzle holder. The installation of the spark plug and the cable routing are designed to be leak-tight.
Zu einer optimierten Einstellung der Brennstoffströmung in den Brennraum und der Zündverhältnisse ist vorteilhaft vorgesehen, dass der zur Brennkammer hin stumpf ausgebildete Strömungskörper, der Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung und der Bereich wenigstens einer Luftaustrittsöffnung mindestens eines, insbesondere in dem Düsenkörper angeordneten, Luftleitkanals so gestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Luftzuführung und die Gaszuführung in die Brennkammer zu einer Rezirkulation des Gas-Luft-Gemischs hin zum Zündabschnitt der Zündkerze führen. For an optimized adjustment of the fuel flow into the combustion chamber and the ignition conditions, it is advantageously provided that the flow body, which is blunt towards the combustion chamber, the area of the fuel outlet opening and the area of at least one air outlet opening of at least one air guide channel, in particular arranged in the nozzle body, are designed and coordinated with one another are that the air supply and the gas supply into the combustion chamber lead to a recirculation of the gas-air mixture towards the ignition section of the spark plug.
Dem Einbau der Zündkerze in der angegebenen Kombination mit dem Strömungskörper liegt die Überlegung zugrunde, dass die zentrale Eindüsung des gasförmigen Kraft- bzw. Brennstoffs, insbesondere Wasserstoffs, bewirkt, dass nur wenig Gas- Luft-Gemisch nach außen in Richtung der Brennkammerwand verteilt wird, insbesondere bei Betriebszuständen mit wenig Luftmassenstrom und geringen Luftgeschwindigkeiten, also z. B. zum Start des Triebwerks. An der Brennkammerwand ist herkömmlich aber üblicherweise die Zündkerze zum Zünden des Gas-Luft-Gemischs positioniert. Dies macht das Zünden erst möglich, wenn eine geeignete Menge an Gas-Luft-Gemisch vorhanden ist. Das kann dazu führen, dass bereits eine große Menge an zündbarem Gemisch in der Brennkammer vorhanden ist, bevor es zur Zündung kommt. Dies kann zu einer detonationsartigen Durchzündung führen. Die hier angegebene erfindungsgemäße Lösung ergibt eine für optimale Zündverhältnisse vorteilhafte Einbindung der Zündvorrichtung bei dem genannten Aufbau der Düsenbaugruppe mit zentraler Eindüsung des gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoffs. The installation of the spark plug in the specified combination with the flow body is based on the idea that the central injection of the gaseous fuel, in particular hydrogen, causes only a small amount of gas-air mixture to be distributed outwards towards the combustion chamber wall, especially in operating conditions with little air mass flow and low air speeds, i.e. e.g. B. to start the engine. The spark plug for igniting the gas-air mixture is conventionally positioned on the combustion chamber wall. This makes ignition only possible when a suitable amount of gas-air mixture is present. This can result in a large amount of ignitable mixture already being present in the combustion chamber before ignition occurs. This can lead to a detonation-like ignition. The solution according to the invention given here results in an advantageous integration of the ignition device for optimal ignition conditions in the mentioned structure of the nozzle assembly with central injection of the gaseous fuel, in particular hydrogen.
Ein Ende des Strömungskörpers kann eine Strömungsrichtung für den in den Brennraum einzudüsenden Kraftstoff vorgeben. Beispielsweise kann der Strömungskörper hierfür an seinem Ende ein Leitelement aufweisen, über das an der Kraftstoffaustrittsöffnung austretender Kraftstoff, bezogen auf die Düsenlängsachse, radial nach außen geleitet wird. Beispielsweise ist am Ende des Strömungskörpers das Leitelement durch eine radiale Aufweitung des Strömungskörpers ausgebildet. Die Kraftstoffeindüsung in den Brennraum mit einem radial nach außen weisenden Strömungsanteil kann hierbei die Eigenschaften, wie Gestalt und Größe, des Strömungsfeldes einer stromab des Düsenendes entstehenden Rezirkulationszone beeinflussen, die gerade bei gasförmigem Kraftstoff und insbesondere Wasserstoff mit Blick auf eine Flammstabilität und vergleichsweise geringe Verbrennungstemperaturen unmittelbar im Nahfeld der Düse von Vorteil sein kann. One end of the flow body can specify a flow direction for the fuel to be injected into the combustion chamber. For example, the flow body For this purpose, have a guide element at its end, via which fuel emerging from the fuel outlet opening is directed radially outwards in relation to the longitudinal axis of the nozzle. For example, at the end of the flow body, the guide element is formed by a radial expansion of the flow body. The fuel injection into the combustion chamber with a flow portion pointing radially outwards can influence the properties, such as shape and size, of the flow field of a recirculation zone created downstream of the nozzle end, which is particularly important with gaseous fuel and in particular hydrogen with a view to flame stability and comparatively low combustion temperatures in the vicinity of the nozzle can be advantageous.
Über eine Verengung am Ende des Kraftstoffrohres an der Kraftstoffaustrittsöffnung, die mit dem dem Brennraum zugewandten Ende des Strömungskörpers realisiert ist, kann ferner eine gezielte Beschleunigung der Kraftstoffströmung in den Brennraum hinein erfolgen. A narrowing at the end of the fuel pipe at the fuel outlet opening, which is realized with the end of the flow body facing the combustion chamber, can also be used to specifically accelerate the fuel flow into the combustion chamber.
Grundsätzlich kann der Strömungskörper zapfenförmig oder kegelförmig ausgebildet sein. In principle, the flow body can be conical or conical.
Alternativ oder ergänzend ist der Strömungskörper symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch zur Düsenlängsachse und/oder mit einer dem Brennraum zugewandten stumpfen zentral angeordneten Stirnseite ausgebildet. Eine stumpfe, zentral angeordnete Stirnseite an einem Ende des Strömungskörpers kann beispielsweise die Bildung einer inneren Rezirkulationszone mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration im Betrieb der Brennkammer bzw. des Triebwerks unterstützen. Eine solche innere Rezirkulationszone geht gegebenenfalls mit niedrigen Verbrennungstemperaturen im Nahfeld der Düse und damit unmittelbar stromab des Düsenendes einher. Die stumpfe Stirnseite kann grundsätzlich - in Abhängigkeit von den gewünschten Strömungsverhältnissen - im Wesentlichen plan, (leicht) konvex oder (leicht) konkav ausgebildet sein. Alternatively or additionally, the flow body is designed symmetrically, in particular rotationally symmetrically, to the longitudinal axis of the nozzle and/or with a blunt, centrally arranged end face facing the combustion chamber. A blunt, centrally arranged end face at one end of the flow body can, for example, support the formation of an inner recirculation zone with a comparatively high fuel concentration during operation of the combustion chamber or the engine. Such an inner recirculation zone may be accompanied by low combustion temperatures in the vicinity of the nozzle and thus immediately downstream of the nozzle end. The blunt end face can in principle - depending on the desired flow conditions - be essentially flat, (slightly) convex or (slightly) concave.
Grundsätzlich kann der Strömungskörper ein stromauf liegendes und gegebenenfalls aerodynamisch geformtes, konvex gewölbtes Ende aufweisen, das zu einer Stirnwand der Düse oder einer Rückwand des Kraftstoff roh res axial beabstandet ist. Grundsätzlich kann aber auch eine andere aerodynamisch günstige Form für das stromauf liegende Ende vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Ende halbkugelförmig, kegelförmig (gegebenenfalls mit stumpfer oder gerundeter Kegelspitze), ogi- venförmig oder ovoidförmig sein. Insbesondere in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Zuleitungsreservoirs kann der Strömungskörper aber auch in Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung mit einer Stirnwand der Düse oder einer Rückwand des Kraftstoffrohres verbunden sein. Hierbei erstreckt sich dann der Strömungskörper entlang der Düsenlängsachse von der Stirnwand oder der Rückwand weg und ist somit zu der Stirnwand oder der Rückwand axial nicht beabstandet. Während bei einer axialen Beabstandung des Strömungskörpers der Strömungskörper ein stromauf liegendes und axial mit Kraftstoff angeströmtes Ende innerhalb des Kraftstoffrohres aufweist, ist dies bei einem mit der Stirnwand oder Rückwand verbundenen Strömungskörper nicht der Fall. Je nach Konstruktion und Randbedingungen kann die eine oder die andere Form des Strömungskörpers von Vorteil sein, beispielsweise im Hinblick auf eine in einem Kopfbereich des Düsenhauptkörpers realisierbare Dicke des Düsenhauptkörpers. In principle, the flow body can have an upstream and optionally aerodynamically shaped, convexly curved end, which is axially spaced from an end wall of the nozzle or a rear wall of the fuel tube. In principle, however, another aerodynamically favorable shape can also be provided for the upstream end. For example, the end can be hemispherical, conical (possibly with a blunt or rounded cone tip), ogive-shaped or ovoid-shaped. Particularly depending on the design of the feed reservoir, the flow body can also be connected to an end wall of the nozzle or a rear wall of the fuel pipe in embodiment variants of the proposed solution. The flow body then extends along the longitudinal axis of the nozzle away from the end wall or the rear wall and is therefore not axially spaced from the end wall or the rear wall. While with an axial spacing of the flow body the flow body has an upstream end within the fuel pipe where fuel flows axially, this is not the case with a flow body connected to the end wall or rear wall. Depending on the construction and boundary conditions, one or the other shape of the flow body can be advantageous, for example with regard to a thickness of the nozzle main body that can be achieved in a head region of the nozzle main body.
Ist der Strömungskörper nicht mit einer Stirnwand der Düse oder einer Rückwand des Kraftstoffrohres verbunden und verläuft entlang der Düsenlängsachse zentral innerhalb des Kraftstoffrohres bis zur Kraftstoffaustrittsöffnung, erstreckt sich der Strömungskörper typischerweise über einen Großteil der entlang der Düsenlängsachse gemessenen Länge des das Kraftstoffrohr aufweisenden Düsenhauptkörpers, z. B. über wenigstens 85 % dieser Länge. In einer Ausführungsvariante können innerhalb des Kraftstoffrohres auch zwei bezogen auf die Düsenlängsachse axial zueinander beabstandete Strömungskörper vorhanden sein. In einer derartigen Ausführungsvariante liegt folglich zwischen den zwei Strömungskörpern zentral ein von Kraftstoff über den gesamten Querschnitt durch- strömbarer Rohrabschnitt des Kraftstoffrohres vor. Beispielsweise ist ein erster stromauf liegender Strömungskörper zapfenförmig ausgebildet, während ein stromab im Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung vorgesehener weiterer Strömungskörper kegelförmig oder anderweitig aerodynamisch günstig - z. B. halbkugelförmig, kegelförmig (gegebenenfalls mit stumpfer oder gerundeter Kegelspitze), ogivenförmig oder ovoidförmig - ausgebildet ist. If the flow body is not connected to an end wall of the nozzle or a rear wall of the fuel pipe and runs along the longitudinal axis of the nozzle centrally within the fuel pipe up to the fuel outlet opening, the flow body typically extends over a large part of the length of the main nozzle body having the fuel pipe, e.g. B. over at least 85% of this length. In one embodiment variant, two flow bodies that are axially spaced apart from one another with respect to the nozzle longitudinal axis can also be present within the fuel pipe. In such an embodiment variant, a pipe section of the fuel pipe through which fuel can flow over the entire cross section is present centrally between the two flow bodies. For example, a first upstream flow body is cone-shaped, while a further flow body provided downstream in the area of the fuel outlet opening is conical or otherwise aerodynamically favorable - e.g. B. hemispherical, conical (possibly with a blunt or rounded cone tip), ogive-shaped or ovoid-shaped - is designed.
Der Strömungskörper kann an seiner im Betrieb der Brennkammer axial umströmten, äußeren Mantelfläche mehrere (mindestens zwei) vorstehende Abschnitte umfassen. Diese vorstehenden Abschnitte können einerseits einer Intensivierung einer Wärmeübertragung zwischen dem Material des Strömungskörpers, der typischerweise aus Metall besteht, und dem - insbesondere im Betrieb der Brennkammer - kühleren Kraftstoff dienen. Erstreckt sich der Strömungskörper bis an die Kraftstoffaustrittsöffnung ist er zumindest an einer dem Brennraum zugewandten Seite vergleichsweise hohen Temperaturen ausgesetzt, sodass der eingedüste Kraftstoff im Bereich des Strömungskörpers auch zur Kühlung genutzt werden kann, insbesondere wenn es sich hierbei um einzudüsenden Wasserstoff handelt. Die an der äußeren Mantelfläche vorstehenden Abschnitte können ferner gezielt zur Strömungsbeeinflussung der Kraftstoffströmung innerhalb des Kraftstoffrohres dienen. Beispielsweise sind die vorstehenden Abschnitte durch Rippen, Stege, Stifte, Zapfen oder Finnen ausgebildet. Die vorstehenden Abschnitte können hierbei an der axial umströmten äußeren Mantelfläche gleichmäßig verteilt vorgesehen sein. Insbesondere können die vorstehenden Abschnitte über die gesamte äußere Mantelfläche verteilt vorgesehen sein, oder aber nur in einem begrenzten Bereich der Mantelfläche (z. B. im Bereich der Kraftstoffaustrittsöffn u ng ) . In einer möglichen Weiterbildung sind die vorstehenden Abschnitte so auf der äußeren Mantelfläche angeordnet, dass hierüber einem etwaigen der Kraftstoffströmung bereits gezielt aufgeprägten Drall nicht entgegengewirkt oder ein solcher Drall gegebenenfalls sogar unterstützt wird. Insbesondere können die vorstehenden Abschnitte ausgebildet und vorgesehen sein, den Drall lokal zu beeinflussen und gegebenenfalls zu erhöhen. Beispielsweise sind hierfür die an der Mantelfläche vorstehenden Abschnitte schräg angestellt und/oder helixförmig gestaltet. The flow body can comprise several (at least two) protruding sections on its outer lateral surface, which flows axially around the combustion chamber during operation. On the one hand, these protruding sections can serve to intensify heat transfer between the material of the flow body, which typically consists of metal, and the cooler fuel - particularly during operation of the combustion chamber. If the flow body extends to the fuel outlet opening, it is exposed to comparatively high temperatures at least on one side facing the combustion chamber, so that the injected fuel in the area of the flow body can also be used for cooling, especially if this is hydrogen to be injected. The sections protruding from the outer lateral surface can also serve specifically to influence the flow of the fuel flow within the fuel pipe. For example, the protruding sections are formed by ribs, webs, pins, tenons or fins. The protruding sections can be provided evenly distributed on the outer lateral surface around which the flow flows axially. In particular, the protruding sections can be provided distributed over the entire outer lateral surface, or only in a limited area of the lateral surface (e.g. in the area of the fuel outlet opening). In a possible further development, the protruding sections are arranged on the outer surface in such a way that any swirl that has already been specifically imposed on the fuel flow is not counteracted or such a swirl is even supported if necessary. In particular, the protruding sections can be designed and provided to locally influence and, if necessary, increase the swirl. For example, the sections protruding from the lateral surface are designed at an angle and/or helically.
Alternativ oder ergänzend kann der Strömungskörper an seiner axial umströmten äußeren Mantelfläche mehrere Vertiefungen umfassen, beispielsweise in Form von Bohrungen und/oder Dellen. Auch derartige die Oberfläche des Strömungskörpers verändernde Strukturen können einer Intensivierung der Wärmeübertragung von dem Strömungskörper an den Kraftstoff dienen. Alternatively or additionally, the flow body can comprise several depressions on its axially flow-around outer lateral surface, for example in the form of bores and/or dents. Such structures that change the surface of the flow body can also serve to intensify the heat transfer from the flow body to the fuel.
Grundsätzlich kann ein Ende des Kraftstoffrohres im Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung auf verschiedene Art gestaltet werden. Da bei der Verwendung von Kraftstoff mit sehr schneller Reaktionskinetik, wie z. B. im Falle von Wasserstoff, damit zu rechnen ist, dass sich eine Flamme in dem Brennraum vergleichsweise nah an der Düse verankert, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass bei bestimmten Betriebspunkten des Triebwerks ein Ankerpunkt der Verbrennungszone unmittelbar an einer Abströmkante des Kraftstoff roh res liegt. Das Ende des Kraftstoffrohres sollte somit derart gestaltet sein, dass einerseits die Wärmefreisetzung im Brennraum in unmittelbarer Nähe des Endes des Kraftstoffrohrs gering gehalten ist und andererseits eine hinreichende Robustheit gegenüber dem Wärmeeintrag aus der Verbrennungszone gewährleistet ist. In diesem Zusammenhang kann es beispielsweise vorteilhaft sein, das Kraftstoffrohr an der Kraftstoffaustrittsöffnung mit einem um die Düsenlängsachse um laufenden Rand auszugestalten, der eine radial nach außen geneigte Fase aufweist. In einer Weiterbildung kann die Fase zu einem axialen Ende des Kraftstoffrohres spitz zulaufen oder in eine stumpfe Endgeometrie übergehen. Läuft die Fase spitz zu und trennt der Rand des Kraftstoffrohres die Kraftstoffströmung einer Luftströmung des angrenzenden Luftleitkanals, kann eine spitz zulaufende Fase den Vorteil haben, dass die Kraftstoffströmung und die Luftströmung tangential aufeinandertreffen. Hiermit kann eine hohe Abströmgeschwindigkeit der beiden Strömungen aus der Düse erhalten bleiben. Die Wärmefreisetzung im Bereich des vorstehend erläuterten Ankerpunktes bleibt damit gering. Nachteilig kann hierbei jedoch sein, dass in dem Bereich eines spitz zulaufenden Endes im Betrieb der Brennkammer eingebrachte Wärme durch eine Wärmeleitung innerhalb des Kraftstoffrohres nicht hinreichend schnell abtransportiert werden kann, sodass das spitz zulaufende Ende Gefahr läuft, thermisch überlastet zu werden. Einer solchen thermischen Überlastung kann z. B. jedoch über eine entsprechende Strömungsbeeinflussung entgegengewirkt werden, in etwa durch das tangentiale Aufeinandertreffen von Kraftstoff und Luft und die sich daraus ergebenden Effekte auf die Verbrennungszone, speziell Ankerpunkt der Flamme und die lokale Wärmefreisetzung im Ankerpunkt. In principle, one end of the fuel pipe in the area of the fuel outlet opening can be designed in various ways. Since when using fuel with very fast reaction kinetics, such as B. in the case of hydrogen, it is to be expected that a flame in the combustion chamber will be anchored comparatively close to the nozzle, there is fundamentally the possibility that at certain operating points of the engine an anchor point of the combustion zone is located directly on a trailing edge of the fuel pipe . The end of the fuel pipe should therefore be designed in such a way that, on the one hand, the heat release in the combustion chamber in the immediate vicinity of the end of the fuel pipe is kept low and, on the other hand, sufficient robustness against the heat input from the combustion zone is ensured. In this context, it may be advantageous, for example, to design the fuel pipe at the fuel outlet opening with an edge running around the longitudinal axis of the nozzle, which edge has a radially outwardly inclined chamfer. In a further development, the chamfer can taper to an axial end of the fuel pipe or merge into a blunt end geometry. If the chamfer tapers to a point and the edge of the fuel pipe separates the fuel flow from an air flow in the adjacent air guide duct, a tapered chamfer can have the advantage that the fuel flow and the air flow meet each other tangentially. This allows a high outflow velocity of the two flows from the nozzle to be maintained. The heat release in the area of the anchor point explained above therefore remains low. However, the disadvantage here can be that in the area of a tapered end, heat introduced during operation of the combustion chamber cannot be transported away sufficiently quickly through a heat conduction within the fuel pipe, so that the tapered end runs the risk of being thermally overloaded. Such thermal overload can e.g. B. can be counteracted by a corresponding flow influence, for example through the tangential meeting of fuel and air and the resulting effects on the combustion zone, especially the anchor point of the flame and the local heat release in the anchor point.
Geht die Fase in eine stumpfe Endgeometrie des Kraftstoff roh res über, stellt sich unmittelbar stromab des Düsenendes unter Umständen ein kleines „Totwassergebiet“ bzw. eine kleine (innere) Rezirkulationszone ein, im welchem/welcher sich der Kraftstoff und die einströmende Luft mischen können, sodass hier im Betrieb der Brennkammer lokal eine vergleichsweise hohe Wärme infolge Verbrennung freigesetzt wird. Jedoch kann bei einer stumpfen Endgeometrie die in den Rohrrand des Kraftstoffrohres eingebrachte Wärme durch Wärmeleitung besser abtransportiert werden, wodurch das Risiko einer thermischen Überlastung leichter vermeidbar ist. If the chamfer changes into a blunt final geometry of the fuel pipe, a small “dead water area” or a small (inner) recirculation zone may arise immediately downstream of the nozzle end, in which the fuel and the incoming air can mix. so that when the combustion chamber is in operation, a comparatively high amount of heat is released locally as a result of combustion. However, with a blunt end geometry, the heat introduced into the edge of the fuel pipe can be better transported away through heat conduction, making it easier to avoid the risk of thermal overload.
Grundsätzlich kann das zentrale Kraftstoffrohr gegen eine Einströmung von Luft abgedichtet sein. Derart kann der Kraftstoff über das sich zentral in dem Düsenhauptkörper entlang der Düsenlängsachse erstreckende Kraftstoffrohr in der Düse ohne eine Vermischung mit Luft in den Brennraum eingebracht werden. Im bestimmungs- gemäß in ein Triebwerk eingebauten Zustand der Düsenbaugruppe ist somit das düsenseitige Kraftstoffrohr gegen eine Einströmung von Luft aus einer Verdichterstufe des Triebwerks abgedichtet, insbesondere an einem stromaufliegenden Ende des Düsenhauptkörpers. Es findet somit bei einer Düse einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe innerhalb der Düse keine Vormischung von Kraftstoff und Luft statt. Dies ist insbesondere im Blick auf gasförmig einzudüsenden Kraftstoff und insbesondere leicht entzündlichen Wasserstoff vorteilhaft, da hiermit das Risiko eines Flammenrückschlags oder einer verfrühten Selbstzündung des einzudüsenden Kraftstoffs reduziert werden kann. Eine erstmalige Vermischung des einzudüsenden Kraftstoffs mit Luft erfolgt somit bei einer Düse einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe erst stromab des Düsenendes. Innerhalb der Düse wird der Kraftstoff nicht mit Luft vorgemischt, sodass der Kraftstoff am Düsenende zunächst noch unvermischt austritt und erst stromab des Düsenendes eine Vermischung mit (Verbrennungs- respektive Misch-) Luft erfolgt. In principle, the central fuel pipe can be sealed against the inflow of air. In this way, the fuel can be introduced into the combustion chamber in the nozzle without mixing with air via the fuel pipe which extends centrally in the nozzle main body along the longitudinal axis of the nozzle. In the intended According to the state of the nozzle assembly installed in an engine, the nozzle-side fuel pipe is thus sealed against an inflow of air from a compressor stage of the engine, in particular at an upstream end of the nozzle main body. In the case of a nozzle of a proposed nozzle assembly, there is therefore no premixing of fuel and air within the nozzle. This is particularly advantageous with regard to fuel to be injected in gaseous form and in particular highly flammable hydrogen, since this can reduce the risk of a flame flashback or premature self-ignition of the fuel to be injected. In the case of a nozzle of a proposed nozzle assembly, the fuel to be injected is first mixed with air only downstream of the nozzle end. The fuel is not premixed with air within the nozzle, so that the fuel initially comes out unmixed at the nozzle end and is only mixed with (combustion or mixed) air downstream of the nozzle end.
In einer Ausführungsvariante umfasst die Düse ein mit der Kraftstoffzuleitung verbundenes Zuleitungsreservoir, dem Kraftstoff aus der Kraftstoffzuleitung zuführbar ist und aus dem Kraftstoff dem Kraftstoff rohr zuführbar ist. Das Zuleitungsreservoir ist somit fluidtechnisch sowohl mit der Kraftstoffzuleitung als auch mit dem Kraftstoffrohr verbunden, sodass über das Zuleitungsreservoir der aus der Kraftstoffzuleitung kommende Kraftstoff in das Kraftstoffrohr strömen kann. Das Zuleitungsreservoir ist dabei beispielsweise als Kavität in dem Düsenhalter oder dem Düsenhauptkörper ausgebildet, beispielsweise als im Querschnitt ringförmige, insbesondere kreisringförmige oder im Querschnitt kreisförmige Kavität. Das Zuleitungsreservoir kann eine möglichst gleichmäßige Einleitung des Kraftstoffs in das Kraftstoffrohr unterstützen, beispielsweise indem eine Einströmung des Kraftstoffs aus dem Zuleitungsreservoir über mehrere spezifisch angeordnete und z. B. gleichmäßig verteilte Durchgangsöffnungen erfolgt. Beispielsweise ist das Zuleitungsreservoir in einem Bereich der Düse vorgesehen, der durch eine, bezogen auf eine durch das Kraftstoff rohr definierte Strömungsrichtung, entlang der der Kraftstoff innerhalb des Düsenhauptkörpers zu dem Düsenende geführt wird, stromauf liegende Stirnwand berandet ist. Im bestimmungsgemäß in ein Triebwerk eingebauten Zustand der Düsenbaugruppe ist eine solche Stirnwand dem Brennraum der Brennkammer abgewandt. Beispielsweise ist ein solches stromauf gelegenes Zuleitungsreservoir dann in einem mit dem Düsenhalter verbundenen Kopfbereich des Düsenhauptkörpers ausgebildet. Der aus dem Zuleitungsreservoir in das Kraftstoffrohr eingeleitete Kraftstoff kann somit in dem Kraftstoffrohr über einen vergleichsweise großen Teil (mehr als 60 %) der entlang der Düsenlängsachse gemessenen Länge des Düsenhauptkörpers zu der Kraftstoffaustrittsöffnung geführt werden. Hierüber kann gezielt und beispielsweise unter einer Vergleichmäßigung der Kraftstoffströmung der Kraftstoff an das Düsenende geführt werden, gegebenenfalls unter gezielter Verdrhung der Kraftstoffströmung. In one embodiment variant, the nozzle comprises a supply line reservoir connected to the fuel supply line, to which fuel can be supplied from the fuel supply line and from which fuel can be supplied to the fuel pipe. The supply line reservoir is therefore fluidly connected to both the fuel supply line and the fuel pipe, so that the fuel coming from the fuel supply line can flow into the fuel pipe via the supply line reservoir. The feed reservoir is designed, for example, as a cavity in the nozzle holder or the nozzle main body, for example as a cavity with an annular cross-section, in particular an annular shape or a circular cross-section with a circular cross-section. The supply line reservoir can support the most uniform possible introduction of fuel into the fuel pipe, for example by allowing the fuel to flow in from the supply line reservoir via several specifically arranged and z. B. evenly distributed through openings. For example, the feed reservoir is provided in an area of the nozzle which is bordered by an end wall located upstream in relation to a flow direction defined by the fuel pipe along which the fuel is guided within the nozzle main body to the nozzle end. When the nozzle assembly is installed as intended in an engine, such an end wall faces away from the combustion chamber of the combustion chamber. For example, such an upstream supply line reservoir is then formed in a head region of the nozzle main body connected to the nozzle holder. The fuel introduced from the supply reservoir into the fuel pipe can thus be guided in the fuel pipe to the fuel outlet opening over a comparatively large part (more than 60%) of the length of the nozzle main body measured along the nozzle longitudinal axis. In this way, the fuel can be guided to the nozzle end in a targeted manner and, for example, by evening out the fuel flow, if necessary with targeted twisting of the fuel flow.
Mindestens eine Durchgangsöffnung, über die Kraftstoff aus dem Zuleitungsreservoir in das Kraftstoffrohr einströmen kann, kann beispielsweise für eine Einströmung von Kraftstoff in einen ersten Rohrabschnitt des Kraftstoffrohres radial nach innen eingerichtet sein. Über die mindestens eine Durchgangsöffnung ist somit eine im Wesentlichen radial nach innen gerichtete Strömung in den ersten Rohrabschnitt des Kraft- stoffrohres ermöglicht. Zwischen dem Zuleitungsreservoir und dem Kraftstoffrohr sind somit folglich eine oder mehrere durch eine oder mehrere Durchgangsöffnungen bereitgestellte Fluidverbindungen vorgesehen, über die Kraftstoff aus dem Zuleitungsreservoir im Wesentlichen radial nach innen in den ersten Rohrabschnitt und damit in das Kraftstoffrohr einströmen kann. At least one through opening, through which fuel can flow from the feed reservoir into the fuel pipe, can be set up, for example, for fuel to flow radially inwards into a first pipe section of the fuel pipe. A substantially radially inwardly directed flow into the first pipe section of the fuel pipe is thus made possible via the at least one through opening. One or more fluid connections provided by one or more through openings are therefore provided between the supply line reservoir and the fuel pipe, via which fuel can flow from the supply reservoir essentially radially inwards into the first pipe section and thus into the fuel pipe.
Alternativ zu einer im Wesentlichen radialen Einströmung von Kraftstoff aus dem Zuleitungsreservoir in das Kraftstoffrohr kann auch mindestens eine Durchgangsöffnung für eine Einströmung von Kraftstoff im Wesentlichen in axialer Richtung in einen ersten Rohrabschnitt des Kraftstoffrohres eingerichtet sein. Hierbei kann sich beispielsweise die mindestens eine Durchgangsöffnung durch eine im Wesentlichen oder genau senkrecht zu der Düsenlängsachse verlaufende und den ersten Rohrabschnitt (stromauf) berandende (begrenzende) Rückwand des Kraftstoffrohres oder durch eine das Zuleitungsreservoir von dem ersten Rohrabschnitt trennende Trennwand erstrecken. As an alternative to a substantially radial inflow of fuel from the feed reservoir into the fuel pipe, at least one through opening can also be set up for an inflow of fuel essentially in the axial direction into a first pipe section of the fuel pipe. This can happen For example, the at least one through opening extends through a rear wall of the fuel pipe that runs essentially or exactly perpendicular to the nozzle longitudinal axis and borders (limiting) the first pipe section (upstream) or through a partition wall separating the supply line reservoir from the first pipe section.
Wie bereits eingangs erläutert, eignet sich die vorgeschlagene Lösung insbesondere für die Eindüsung von unterschiedlichen Typen von Kraftstoffen. Gerade aber mit Blick auf die Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff und insbesondere von Wasserstoff bietet die vor einer Vermischung mit Luft geschützte zentrale Zuführung des Kraftstoffs über ein düsenseitiges Kraftstoffrohr besondere Vorteile. As already explained at the beginning, the proposed solution is particularly suitable for the injection of different types of fuels. However, especially with regard to the injection of gaseous fuel and in particular hydrogen, the central supply of fuel via a nozzle-side fuel pipe, which is protected from mixing with air, offers particular advantages.
Mit Düsenbaugruppen des vorstehend genannten Aufbaus lässt sich vorteilhaft eine Ringbrennkammer mit mindestens einer Düsenbaugruppe, insbesondere auch nach einem der Ansprüche 9 bis 14, in einem Brennkammerring aufbauen. Dabei bestehen vorteilhafte Ausgestaltungen darin, dass in mindestens einer Düsenbaugruppe, vorzugsweise am höchsten Punkt des Brennkammerrings, oder in mehreren Düsenbaugruppen oder in allen Düsenbaugruppen eine Zündkerze in genannter Weise integriert ist/sind. With nozzle assemblies of the above-mentioned structure, an annular combustion chamber with at least one nozzle assembly, in particular according to one of claims 9 to 14, can advantageously be constructed in a combustion chamber ring. Advantageous embodiments consist in that a spark plug is/are integrated in at least one nozzle assembly, preferably at the highest point of the combustion chamber ring, or in several nozzle assemblies or in all nozzle assemblies in the manner mentioned.
Von der vorgeschlagenen Lösung umfasst ist ferner ein Triebwerk mit mindestens einer Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe. Eine vorgeschlagene Düsenbaugruppe kann aber selbstverständlich auch bei einer (stationären) Gasturbine Verwendung finden. The proposed solution also includes an engine with at least one embodiment variant of a proposed nozzle assembly. However, a proposed nozzle assembly can of course also be used in a (stationary) gas turbine.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung. The attached figures illustrate exemplary possible embodiment variants of the proposed solution.
Hierbei zeigen: Figur 1 ausschnittsweise und in geschnittener Darstellung eine erste Ausführungsvariante einer Düse einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe mit einem als Ringkammer ausgeführten Zuleitungsreservoir, aus dem im Wesentlichen radial nach innen Kraftstoff in ein zentrales mit einem längserstrecken Strömungskörper ausgestattetes Kraftstoffrohr eines Düsenhauptkörpers einströmen kann; Show here: 1 shows a detail and a sectional view of a first embodiment variant of a nozzle of a proposed nozzle assembly with a feed reservoir designed as an annular chamber, from which fuel can flow essentially radially inwards into a central fuel pipe of a nozzle main body equipped with a longitudinal flow body;
Figur 2 eine Prinzipskizze zu einer abgewandelten Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe, die zwei axial beabstandete Strömungskörper in dem Kraftstoffrohr aufweist, mit Veranschaulichung der erzielbaren Zirkulationszonen stromab des Düsenendes; Figure 2 shows a schematic diagram of a modified embodiment variant of a proposed nozzle assembly, which has two axially spaced flow bodies in the fuel pipe, with an illustration of the circulation zones that can be achieved downstream of the nozzle end;
Figuren 3A-3B in mit der Figur 1 übereinstimmender Ansicht jeweils Weiterbildungen der Ausführungsvariante der Figur 1 ; Figures 3A-3B, in a view corresponding to Figure 1, each show further developments of the embodiment variant of Figure 1;
Figur 4A-4D schematische Darstellungen von Ausführungsvarianten eines mit einem Düsenhalter verbundenen Düsenhauptkörpers mit Strömungskörper und integrierter Zündkerze; Figures 4A-4D show schematic representations of embodiment variants of a nozzle main body connected to a nozzle holder with a flow body and an integrated spark plug;
Figur 5 schematische Darstellung eines Düsenhauptkörpers gemäß derFigure 5 schematic representation of a nozzle main body according to
Ausführungsvariante z. B. der Figur 3B während der Herstellung in einem additiven Fertigungsverfahren; Version e.g. B. Figure 3B during production in an additive manufacturing process;
Figuren 6A-6B in mit den Figuren 1 , 3A und 3B übereinstimmenden Ansichten weitere Ausführungsvarianten einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe, bei denen jeweils innerhalb des zentralen Kraftstoffrohres zwei axial zueinander beabstandete Strömungskörper vorgesehen sind; Figuren 7A-9B in Einzeldarstellung unterschiedliche Ausführungsvananten für einen stromab vorgesehenen zweiten Strömungskörper (Figuren 7A, 8A und 9A) sowie hierzu analoge Gestaltungen eines Endabschnitts eines einzelnen durchgängigen Strömungskörpers (Figuren 7B, 8B und 9B) für das Kraftstoff rohr; Figures 6A-6B in views corresponding to Figures 1, 3A and 3B further embodiment variants of a proposed nozzle assembly, in which two axially spaced flow bodies are provided within the central fuel pipe; Figures 7A-9B show individual versions of different embodiments for a second flow body provided downstream (Figures 7A, 8A and 9A) as well as analogous designs of an end section of a single continuous flow body (Figures 7B, 8B and 9B) for the fuel pipe;
Figur 10A-10B in verschiedenen Ansichten ein zweiter Strömungskörper entsprechend der Ausführungsvarianten der Figuren 6A und 6B, an dessen äußerer Mantelfläche mehrere Vertiefungen ausgebildet sind; Figures 10A-10B show different views of a second flow body corresponding to the embodiment variants of Figures 6A and 6B, on the outer surface of which several depressions are formed;
Figur 11 ein Endabschnitt eines durchgehenden Strömungskörpers entsprechend der Figuren 1 , 3A und 3B mit Vertiefungen; Figure 11 shows an end section of a continuous flow body corresponding to Figures 1, 3A and 3B with depressions;
Figur 12 in geschnittener Darstellung ein Düsenhauptkörper mit Düsenkopf gemäß der vorangegangenen Figuren ohne einen innerhalb des zentralen Kraftstoffrohres vorgesehenen Strömungskörper Figure 12 shows a sectional view of a nozzle main body with a nozzle head according to the previous figures without a flow body provided within the central fuel pipe
Figur 13 eine Weiterbildung der Ausführungsvariante der Figur 12 mit einem Radialverdraller im äußersten Luftleitkanal des Düsenkopfes; Figure 13 shows a further development of the embodiment variant of Figure 12 with a radial twister in the outermost air guide duct of the nozzle head;
Figur 14 in mit der Figur 12 übereinstimmender Ansicht den Düsenhauptkörper mit dem Düsenkopf unter Veranschaulichung eines axialen Versatzes zwischen den Luftaustrittsöffnungen und der Kraftstoffaustrittsöffnung am Düsenende der Düse; Figure 14, in a view corresponding to Figure 12, shows the nozzle main body with the nozzle head, illustrating an axial offset between the air outlet openings and the fuel outlet opening at the nozzle end of the nozzle;
Figuren 15A-15C ausschnittsweise und in geschnittener Darstellung unterschiedliche Varianten für die Gestaltung einer Endgeometrie eines dem Brennraum zugewandten, stromab liegenden Randes des Kraftstoffrohres; Figur 16 ausschnittsweise eine mögliche Weiterbildung einer Düse einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe mit Einlauflippen für die zwei Luftleitkanäle am Düsenkopf; Figures 15A-15C show detail and sectional representation of different variants for the design of a final geometry of a downstream edge of the fuel pipe facing the combustion chamber; Figure 16 shows a detail of a possible further development of a nozzle of a proposed nozzle assembly with inlet lips for the two air guide channels on the nozzle head;
Figuren 17A-17B ausschnittsweise und in Einzeldarstellung jeweils unterschiedliche Varianten für eine Gestaltung eines inneren Luftleitkanals im Bereich einer inneren Luftaustrittsöffnung des inneren Luftleitkanals; Figures 17A-17B show sections and individual representations of different variants for a design of an inner air duct in the area of an inner air outlet opening of the inner air duct;
Figur 18A ein Triebwerk, in dem eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe zum Einsatz kommt; Figure 18A shows an engine in which an embodiment variant of a proposed nozzle assembly is used;
Figur 18B ausschnittsweise und in vergrößertem Maßstab die Brennkammer des Triebwerks der Figur 17A; Figure 18B shows a detail and on an enlarged scale of the combustion chamber of the engine of Figure 17A;
Figur 18C den Aufbau einer konventionellen Kraftstoffdüse mit wesentlichen Komponenten. Figure 18C shows the structure of a conventional fuel nozzle with essential components.
Die Figur 18A veranschaulicht schematisch und in Schnittdarstellung ein (Turbofan-) Triebwerk T, bei dem die einzelnen Triebwerkskomponenten entlang einer Rotationsachse oder Mittelachse M hintereinander angeordnet sind und das Triebwerk T als Turbofan-Triebwerk ausgebildet ist. An einem Einlass oder Intake E des Triebwerks T wird Luft entlang einer Eintrittsrichtung mittels eines Fans F bewegt und verdichtet. Dieser in einem Fangehäuse FC angeordnete Fan F wird über eine Rotorwelle S1 angetrieben, die von einer Turbine TT des Triebwerks T in Drehung versetzt wird. Die Turbine TT schließt sich hierbei an einen Verdichter V an, der beispielsweise einen (optionalen) Mitteldruckverdichter 111 und einen Hochdruckverdichter 112 aufweist, sowie gegebenenfalls noch einen Niederdruckverdichter (Booster). Der Fan F führt einerseits in einem Primäriuftstrom F1 dem Verdichter V Luft zu sowie andererseits, zur Erzeugung von Schub, in einem Sekundärluftstrom F2 einem Sekundärstromkanal oder Bypasskanal B. Der Bypasskanal B verläuft hierbei um ein den Ver- dichter V, eine Brennkammerbaugruppe BK und die Turbine TT umfassendes Kerntriebwerk, das einen Primärstromkanal für die durch den Fan F dem Kerntriebwerk zugeführte Luft umfasst. 18A illustrates schematically and in a sectional view a (turbofan) engine T, in which the individual engine components are arranged one behind the other along a rotation axis or central axis M and the engine T is designed as a turbofan engine. At an inlet or intake E of the engine T, air is moved and compressed along an inlet direction by means of a fan F. This fan F, which is arranged in a fan housing FC, is driven via a rotor shaft S1, which is rotated by a turbine TT of the engine T. The turbine TT is connected to a compressor V, which has, for example, an (optional) medium-pressure compressor 111 and a high-pressure compressor 112, and possibly also a low-pressure compressor (booster). The fan F, on the one hand, supplies air to the compressor V in a primary air flow F1 and, on the other hand, to generate thrust, in a secondary air flow F2 to a secondary flow channel or bypass channel B. The bypass channel B runs around a denser V, a combustion chamber assembly BK and the turbine TT core engine comprising a primary flow duct for the air supplied to the core engine by the fan F.
Die über den Verdichter V in den Primärstromkanal geförderte Luft gelangt in die Brennkammerbaugruppe BK des Kerntriebwerks, in der thermische Energie zum Antreiben der Turbine TT durch Verbrennung von Kraftstoff mit aus dem Verdichter V einströmender Luft erzeugt wird. Die Turbine TT weist hierfür eine Hochdruckturbine 113, eine (optionale) Mitteldruckturbine 114 und eine Niederdruckturbine 115 auf. Die Turbine TT treibt dabei die Rotorwellen S1 , S2 und S3 und damit den Mittel- und Hochdruckverdichter sowie den Fan F an, um über die in den Bypasskanal B geförderte Luft Schub zu erzeugen. Sowohl die Luft aus dem Bypasskanal B als auch das Abgas-Luft-Gemisch aus dem Primärstromkanal des Kerntriebwerks strömen über einen Auslass A am Ende des Triebwerks T aus und tragen beide zum Gesamtschub des Triebwerks bei. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse und einen zentral angeordneten Auslasskonus C auf. Verbreitet sind auch Konstruktionen, bei denen vor dem Austritt durch den Auslass A die Luft aus dem Bypasskanal und die abgashaltige Luft aus dem Primärstromkanal zu einem einzigen Luftstrom zusammengeführt werden. Um diese Zusammenführung zu erreichen, werden häufig Blütenmischer verwendet, die innerhalb des Triebwerks noch vor einer gemeinsamen Schubdüse und dem Auslass A angeordnet sind (nicht gezeigt). The air conveyed into the primary flow channel via the compressor V reaches the combustion chamber assembly BK of the core engine, in which thermal energy for driving the turbine TT is generated by combustion of fuel with air flowing in from the compressor V. For this purpose, the turbine TT has a high-pressure turbine 113, an (optional) medium-pressure turbine 114 and a low-pressure turbine 115. The turbine TT drives the rotor shafts S1, S2 and S3 and thus the medium and high pressure compressor as well as the fan F in order to generate thrust via the air conveyed into the bypass channel B. Both the air from the bypass duct B and the exhaust gas-air mixture from the primary flow duct of the core engine flow out via an outlet A at the end of the engine T and both contribute to the overall thrust of the engine. The outlet A usually has a thrust nozzle and a centrally arranged outlet cone C. Constructions are also common in which the air from the bypass channel and the exhaust gas-containing air from the primary flow channel are combined into a single air stream before exiting through outlet A. To achieve this combination, flower mixers are often used, which are arranged within the engine in front of a common exhaust nozzle and the outlet A (not shown).
Die Figur 18B zeigt einen Längsschnitt durch die Brennkammerbaugruppe BK des Triebwerks T. Hieraus ist insbesondere eine (Ring-) Brennkammer 103 des Triebwerks T ersichtlich. Zur Einspritzung von Kraftstoff respektive eines Luft-Kraftstoff- Gemisches in einen Brennraum 1030 der Brennkammer 103 ist eine Düsenbaugruppe vorgesehen. Diese umfasst einen Brennkammerring R, an dem entlang einer Kreislinie um die Mittelachse M mehrere Düsen D an einem Brennkammerkopf der Brennkammer angeordnet sind. An dem Brennkammerring R sind ein oder mehrere Brennerdichtungen BD mit Lageröffnungen vorgesehen, an denen Düsenköpfe der jeweiligen Düsen D gehalten sind, sodass hierüber Kraftstoffstoff in die Brennkammer 103 eingespritzt werden kann. Jede Düse D umfasst dabei einen Flansch, über den ein Düsenhalter DH der Düse D an ein Außengehäuse G der Brennkammerbaugruppe BK geschraubt ist. 18B shows a longitudinal section through the combustion chamber assembly BK of the engine T. In particular, a (ring) combustion chamber 103 of the engine T can be seen from this. A nozzle assembly is provided for injecting fuel or an air-fuel mixture into a combustion chamber 1030 of the combustion chamber 103. This comprises a combustion chamber ring R, on which several nozzles D are arranged on a combustion chamber head of the combustion chamber along a circular line around the central axis M. One or more burner seals BD with bearing openings are provided on the combustion chamber ring R, on which nozzle heads of the respective nozzles D are held so that fuel can be injected into the combustion chamber 103. Each nozzle D includes a flange via which a nozzle holder DH of the nozzle D is screwed to an outer housing G of the combustion chamber assembly BK.
Die Figur 18C zeigt schematisch einen Aufbau einer konventionellen, mittels eines Düsenhalters DH eingebauten Düsenbaugruppe mit ihren wesentlichen Komponenten. Hierbei ist ein innerer Luftkanal IL mit einem inneren Draller ID sowie ein äußerer Luftkanal AL mit einem äußeren Draller AD vorhanden. Ferner sind eine äußere Luftführung 6, ein mittlerer Luftkanal 7, ein mittlerer Draller 8 und eine Kraftstoffeindüsung 9 mit einer Kraftstoffzuleitung 1 vorgesehen, um über ein Kraftstoffringreservoir 11 und eine Kraftstoffverteilung 12 Kraftstoff zuzuführen. An einem Brennkammerkopf 14 ist eine Brennerdichtung BR vorhanden. Figure 18C shows schematically a structure of a conventional nozzle assembly installed by means of a nozzle holder DH with its essential components. There is an inner air duct IL with an inner swirler ID and an outer air duct AL with an outer swirler AD. Furthermore, an outer air duct 6, a central air duct 7, a central swirler 8 and a fuel injection 9 with a fuel supply line 1 are provided in order to supply fuel via a fuel ring reservoir 11 and a fuel distribution 12. A burner seal BR is present on a combustion chamber head 14.
Konventionelle Düsen D für ein Triebwerk T sind typischerweise für die Einspritzung flüssigen Kraftstoffs, wie z. B. Kerosin oder Diesel, ausgebildet und weisen hierfür einen zentralen ersten Luftleitkanal auf sowie wenigstens einen weiteren radial außen liegenden zweiten Luftleitkanal und einen Kraftstoffleitkanal, der zwischen den beiden Luftleitkanälen vorgesehen ist. An einer Kraftstoffaustrittsöffnung eines solchen Kraftstoffleitkanals austretender Kraftstoff wird dann bereits an der Düse mit Luft aus dem ersten zentralen Luftleitkanal und gegebenenfalls auch mit der Luft aus dem radial weiter außen liegenden Luftleitkanal vermischt, sodass an einem Düsenende der Düse D ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Verfügung gestellt wird. Conventional nozzles D for an engine T are typically for the injection of liquid fuel, such as. B. kerosene or diesel, and for this purpose have a central first air duct and at least one further radially outer second air duct and a fuel duct which is provided between the two air ducts. Fuel emerging from a fuel outlet opening of such a fuel guide channel is then already mixed at the nozzle with air from the first central air guide channel and possibly also with the air from the air guide channel located radially further out, so that a fuel-air mixture is produced at one nozzle end of the nozzle D is provided.
Eine derartige Konfiguration einer Düse D ist insbesondere für gasförmig in einen Brennraum 1030 der Brennkammer 1031 einzudüsenden Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, unter Umständen nachteilig. Hier schafft eine Düsenbaugruppe mit einer Düse D gemäß der vorgeschlagenen Lösung Abhilfe, zu der unterschiedliche Ausführungsvarianten in den Figuren 1 bis 17B veranschaulicht sind. Hierbei ist jeweils vorgesehen, dass an einem Düsenhauptkörper DR der Düse D ein zentrales, sich entlang einer Düsenlängsachse L erstreckendes und gegen eine Einströmung von Luft abgedichtetes Kraftstoff rohr 3 vorgesehen ist, über das Kraftstoff innerhalb des Düsenhauptkörpers DR bis an eine an einem Düsenende der Düse D vorgesehene Kraftstoffaustrittsöffnung 33 des Kraftstoffrohres 3 führbar ist. Aus der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 ist der Kraftstoff dann zur erstmaligen Vermischung mit Luft in den Brennraum 1030 einbringbar. Such a configuration of a nozzle D may be disadvantageous in particular for fuel, in particular hydrogen, to be injected in gaseous form into a combustion chamber 1030 of the combustion chamber 1031. A nozzle assembly with a nozzle D according to the proposed solution provides a remedy here, for which different embodiment variants are illustrated in FIGS. 1 to 17B. In each case, it is provided that a central fuel pipe 3 is provided on a nozzle main body DR of the nozzle D, extending along a nozzle longitudinal axis L and sealed against an inflow of air, via which fuel is delivered within the nozzle main body DR to a nozzle end of the nozzle D provided fuel outlet opening 33 of the fuel pipe 3 can be guided. The fuel can then be introduced from the fuel outlet opening 33 into the combustion chamber 1030 for initial mixing with air.
Bei einer ersten Ausführungsvariante gemäß der Figur 1 wird das zentrale Kraftstoffrohr 3 einer Düse D über ein Zuleitungsreservoir in Form einer Ringkammer 2A mit Kraftstoff versorgt. Diese Ringkammer 2A erstreckt sich an einem Kopfbereich der Düse D, die mit dem Düsenhalter DH verbunden ist, ringförmig um einen ersten Rohrabschnitt 3A des Kraftstoffrohres 3 und wird über eine Kraftstoffzuleitung 1 mit Kraftstoff versorgt, die in dem Düsenhalter DH verläuft. Kraftstoff aus der Kraftstoffzuleitung 1 gelangt somit zunächst über eine Zuleitungsöffnung der Kraftstoffzuleitung 1 in die Ringkammer 2A, von der aus der Kraftstoff weiter in den ersten Rohrabschnitt 3A des Kraftstoffrohres 3 einströmen kann. Der Kraftstoff strömt hierbei aus der Ringkammer 2A über umfangsseitig verteilt an einer Innenwand W des ersten Rohrabschnitts 3A verteilt angeordnete Durchgangsöffnungen 23 im Wesentlichen radial zu der Düsenlängsachse L nach innen in den ersten Rohrabschnitt 3A ein. In a first embodiment variant according to FIG. 1, the central fuel pipe 3 of a nozzle D is supplied with fuel via a supply reservoir in the form of an annular chamber 2A. This annular chamber 2A extends in a ring shape around a first pipe section 3A of the fuel pipe 3 at a head region of the nozzle D, which is connected to the nozzle holder DH, and is supplied with fuel via a fuel supply line 1 which runs in the nozzle holder DH. Fuel from the fuel supply line 1 thus first reaches the annular chamber 2A via a supply opening in the fuel supply line 1, from which the fuel can flow further into the first pipe section 3A of the fuel pipe 3. The fuel flows from the annular chamber 2A via through openings 23 distributed around the circumference on an inner wall W of the first pipe section 3A, substantially radially inwards to the nozzle longitudinal axis L, into the first pipe section 3A.
Das Kraftstoffrohr 3 ist an der dem Brennraum 1030 abgewandten Stirnseite mit einer durchgängigen Stirnwand DW der Düse D gegenüber aus dem Verdichter V des Triebwerks T kommende Luft abgedichtet. Aus der Kraftstoffzuleitung 1 in das Kraftstoffrohr 3 eingespeister Kraftstoff wird ferner auch innerhalb des Düsenhauptkörpers DR unvermischt zum Düsenende der Düse D gefördert, also ohne dass eine Vermischung mit Luft erfolgt. Der radial aus der Ringkammer 2A in das Kraftstoffrohr 3 eingespeiste Kraftstoff strömt dabei aus dem ersten Rohrabschnitt 3A, der einen Vorraum innerhalb des Kraftstoffrohres 3 definiert, in axialer Richtung in einen zweiten Rohrabschnitt 3B, mit einem innerhalb des Kraftstoffrohres 3 zentral angeordneten Strömungskörper 30. An diesem Strömungskörper 30 entlang strömt der Kraftstoff bis zu der düsenendseitigen Kraftstoffaustrittsöffnung 33 des Kraftstoffrohres 3. The fuel pipe 3 is sealed on the end face facing away from the combustion chamber 1030 with a continuous end wall DW of the nozzle D against air coming from the compressor V of the engine T. Fuel fed into the fuel pipe 3 from the fuel supply line 1 is also conveyed unmixed to the nozzle end of the nozzle D within the nozzle main body DR, i.e. without mixing with air. The fuel fed radially from the annular chamber 2A into the fuel pipe 3 flows from the first pipe section 3A, which defines an antechamber within the fuel pipe 3, in the axial direction into a second pipe section 3B, with a centrally arranged within the fuel pipe 3 Flow body 30. The fuel flows along this flow body 30 up to the fuel outlet opening 33 of the fuel pipe 3 at the nozzle end.
Der zentrale Strömungskörper 30 ist vorliegend zapfenförmig ausgebildet und definiert damit den vorliegend im Querschnitt ringförmigen zweiten Rohrabschnitt 3B (und damit einen sich axial an den ersten Rohrabschnitt 3A anschließenden Ringraum), in dem der Kraftstoff entlang der Düsenlängsachse L zu der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 geführt wird. Über den Strömungskörper 30 lässt sich die Kraftstoffströmung über den Querschnitt vergleichmäßigen. Zudem weist der Strömungskörper 30 an einem stromab liegenden Ende 301 einen als Leitelement dienenden Leitkragen 3010 auf, über den die Düsenaustrittsöffnung 33 verengt ist, um die austretende Kraftstoffströmung zu beschleunigen. Zudem wird die austretende Kraftstoffströmung über den Leitkragen 3010 radial nach außen gelenkt. In this case, the central flow body 30 is designed in the shape of a peg and thus defines the second pipe section 3B, which is annular in cross-section (and thus an annular space that adjoins the first pipe section 3A axially), in which the fuel is guided along the nozzle longitudinal axis L to the fuel outlet opening 33. The fuel flow can be evened out across the cross section via the flow body 30. In addition, the flow body 30 has, at a downstream end 301, a guide collar 3010 which serves as a guide element and through which the nozzle outlet opening 33 is narrowed in order to accelerate the emerging fuel flow. In addition, the emerging fuel flow is directed radially outwards via the guide collar 3010.
Der derart eingedüste Kraftstoff wird erst stromab der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 innerhalb des Brennraums 1030 mit Luft vermischt, die über zwei Luftleitkanäle 4 und 5 an einem Düsenkopf DK der Düse D in den Brennraum 1030 eingebracht wird. Ein erster Luftleitkanal 4 ist dabei als vergleichsweise schmaler Ringspalt radial außen zu dem zentralen Kraftstoff rohr 3 an dem Düsenkopf DK ausgebildet. Radial weiter außen hierzu liegt der weitere Luftleitkanal 5 als radial äußerster Luftleitkanal an dem Düsenkopf DK vor. Luftaustrittsöffnungen der beiden Luftleitkanäle 4, 5 sind dabei gegenüber der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 axial zurückgesetzt, sodass das Ende des Kraftstoffrohres 3 und damit die Kraftstoffaustrittsöffnung 33 gegenüber den Luftaustrittsöffnungen der beiden Luftleitkanäle 4 und 5, bezogen auf die durch das Kraftstoffrohr 3 definierte Strömungsrichtung des Kraftstoffs, axial vorsteht (vgl. hierzu auch die nachfolgend noch näher erläuterte Figur 14). Den ersten Luftleitkanal 4 berandende innere und äußere Wandungen 43 und 45 enden somit weiter stromauf als das Kraftstoffrohr 3. Gleiches gilt für eine radial weiter außen liegende äußerste Wandung 55 für den weiteren, radial äußersten Luftleitkanal 5. In dem radial äußersten Luftleitkanal 5, der gegenüber dem ersten Luftleitkanal 4 eine um ein Vielfaches größere Kanalbreite aufweist, sind in der Ausführungsvariante der Figur 1 Drallelemente in Form von axialen Luftverdrallern 51 vorgesehen. Hierüber wird eine äußere drallbehaftete Luftströmung erzeugt. (Optional kann auch der innere Luftkanal 4 mit Drallelementen ausgestattet werden, wobei dann aber der der Luft hierüber aufgeprägte Drall geringer ist als derjenige im äußeren Luftkanal 5). The fuel injected in this way is only mixed with air downstream of the fuel outlet opening 33 within the combustion chamber 1030, which is introduced into the combustion chamber 1030 via two air guide channels 4 and 5 on a nozzle head DK of the nozzle D. A first air guide duct 4 is designed as a comparatively narrow annular gap radially on the outside of the central fuel pipe 3 on the nozzle head DK. Radially further out, the further air duct 5 is present as the radially outermost air duct on the nozzle head DK. Air outlet openings of the two air ducts 4, 5 are axially set back relative to the fuel outlet opening 33, so that the end of the fuel pipe 3 and thus the fuel outlet opening 33 is axially opposite the air outlet openings of the two air ducts 4 and 5, based on the flow direction of the fuel defined by the fuel pipe 3 protrudes (cf. also Figure 14, which will be explained in more detail below). Inner and outer walls 43 and 45 bordering the first air duct 4 thus end further upstream than the fuel pipe 3. The same applies to a radially further outermost wall 55 for the further, radially outermost air duct 5. In the radially outermost air duct 5, which has a channel width that is many times larger than the first air duct 4, swirl elements in the form of axial air swirlers 51 are provided in the embodiment variant of FIG. This creates an external swirling air flow. (Optionally, the inner air duct 4 can also be equipped with swirl elements, but the swirl imparted to the air here is less than that in the outer air duct 5).
Ebenso kann über axiale Kraftstoffverdraller 31 innerhalb des zweiten Rohrabschnitts 3B des Kraftstoff roh res 3 eine verdrahte Kraftstoffströmung erzeugt werden, die an der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 in den Brennraum 1030 gelangt. Aus der Ringkammer 2A über die Durchgangsöffnungen 23 in der Innenwand W im Wesentlichen radial in das Kraftstoffrohr 3 und hier dessen ersten Rohrabschnitt 3A einströmender Kraftstoff wird bei der Ausführungsvariante der Figur 1 folglich zunächst in Richtung eines zu der Stirnwand DW beabstandeten stromauf liegenden Endes 300 des zapfenförmigen Strömungskörpers 30 weiter strömen und dann radial an dem Strömungskörper 30 vorbei in den zweiten Rohrabschnitt des Kraftstoffrohres 3 mit den Kraftstoffverdrallern 31 geführt. Die an dem Strömungskörper 30 über einen Großteil der entlang der Düsenlängsachse L gemessenen Länge des Düsenhauptkörpers DR geführte Kraftstoffströmung bleibt dabei bis zum Austritt an der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 unvermischt und trifft erst stromab der Düse D auf die Luftströmungen aus den beiden radial weiter außen liegenden Luftleitkanälen 4 und 5. Likewise, a wired fuel flow can be generated via axial fuel swirlers 31 within the second pipe section 3B of the fuel pipe 3, which flows into the combustion chamber 1030 at the fuel outlet opening 33. In the embodiment variant of FIG Flow body 30 continues to flow and then guided radially past the flow body 30 into the second pipe section of the fuel pipe 3 with the fuel swirlers 31. The fuel flow guided on the flow body 30 over a large part of the length of the nozzle main body DR measured along the nozzle longitudinal axis L remains unmixed until it exits at the fuel outlet opening 33 and only meets the air flows from the two air guide channels 4 and 4 located radially further outwards downstream of the nozzle D 5.
Die zentrale abgedichtete Führung des Kraftstoffs in dem Kraftstoffrohr 3 mit dem Strömungskörper 30 ist dabei insbesondere für leicht entzündlichen Wasserstoff von Vorteil, um Flammrückschläge und eine vorzeitige Selbstentzündung in einem Nahfeld der Düse zu vermeiden. Die über die Luftleitkanäle 4 und 5 bereitgestellten Luftströmungen stellen ferner in dem Brennraum 1030 eine vorteilhafte Rezirkulations- zonenbildung stromab der Düse D sicher. Die Figur 2 veranschaulicht die mit einer Düse D der vorgeschlagenen Düsenbaugruppe zu realisierenden Strömungen stromab des Düsenendes. Hierbei ist im Unterschied zu der Düse D der Figur 1 innerhalb des Kraftstoffrohres 3 kein einzelner längserstreckter, zapfenförmiger Strömungskörper 30 vorgesehen. Vielmehr sind hier innerhalb des Kraftstoffrohres 3 zwei axial zueinander beabstandete erste und zweite Strömungskörper 30A und 30B vorgesehen. Aus dem Ringraum des ersten Rohrabschnitts 3A strömt der Kraftstoff bei den Ausführungsvananten der Figur 2 weiter durch einen zweiten Rohrabschnitt 3B in Richtung der Kraftstoffaustrittsöffnung 33, der als im Querschnitt kreisförmiger Strömungsraum ausgebildet ist. Erst gegen Ende des Kraftstoffrohres 3 trifft der Kraftstoff auf den weiteren (zweiten) stromab gelegenen Strömungskörper 30B, der hier kegelförmig ausgebildet ist (mit der Kegelspitze zu dem ersten, stromauf gelegenen Strömungskörper 30A weisend). Über die entsprechende, sich radial aufweitende Form des kegelförmigen Strömungskörpers 30B zu dessen Ende 301 hin, wird die Kraftstoffaustrittsöffnung 33 des Kraftstoffrohres 3 verengt und zudem radial nach außen geleitet. The central, sealed guidance of the fuel in the fuel pipe 3 with the flow body 30 is particularly advantageous for highly flammable hydrogen in order to avoid flashbacks and premature self-ignition in the vicinity of the nozzle. The air flows provided via the air guide channels 4 and 5 also ensure an advantageous recirculation zone formation downstream of the nozzle D in the combustion chamber 1030. Figure 2 illustrates the flows downstream of the nozzle end to be realized with a nozzle D of the proposed nozzle assembly. In contrast to the nozzle D of FIG. 1, no individual longitudinally extending, peg-shaped flow body 30 is provided within the fuel pipe 3. Rather, two axially spaced first and second flow bodies 30A and 30B are provided here within the fuel pipe 3. In the embodiment variants of FIG. 2, the fuel flows from the annular space of the first pipe section 3A further through a second pipe section 3B in the direction of the fuel outlet opening 33, which is designed as a flow space with a circular cross section. Only towards the end of the fuel pipe 3 does the fuel hit the further (second) downstream flow body 30B, which here is conical (with the tip of the cone pointing towards the first, upstream flow body 30A). Via the corresponding, radially widening shape of the conical flow body 30B towards its end 301, the fuel outlet opening 33 of the fuel pipe 3 is narrowed and also directed radially outwards.
Der erste stromauf liegende Strömungskörper 30A ist vorliegend ferner nach Art eines Nabenzapfens im Bereich des kraftstoffrohrseitigen Kraftstoffverteilers 31 ausgebildet. Der stromab liegende zweite Strömungskörper 30B ist mit seiner stumpfen und vorliegend im Wesentlichen planen Stirnseite 301 S dem Brennraum 1030 zugewandt. Eine solche stumpfe Stirnseite 301 S ist auch an dem stromab liegenden Ende 301 des durchgehenden Strömungskörpers 30 der Figur 1 vorgesehen. Hiermit sind dann im Ergebnis grundsätzlich auch weitestgehend identische Ström ungsverläufe erzielbar. In the present case, the first upstream flow body 30A is also designed in the manner of a hub pin in the area of the fuel distributor 31 on the fuel pipe side. The downstream second flow body 30B faces the combustion chamber 1030 with its blunt and essentially flat end face 301S. Such a blunt end face 301S is also provided at the downstream end 301 of the continuous flow body 30 in FIG. As a result, largely identical flow curves can then be achieved.
Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, unterstützt der jeweilige an der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 liegende Strömungskörper 30 oder 30B, insbesondere mit seiner stumpfen Stirnseite 301 S die Bildung einer stabilen rezirkulierenden Verbrennungszone VBZ stromab der Düse D. Unmittelbar in einem Nahfeld hinter dem Düsenende D und damit stromab der stumpfen Stirnseite 301 S des jeweiligen Strömungskörpers 30 oder 30B wird eine innere Rehzirkulationszone IRZ erzeugt. In dieser inneren Rehzirkulationszone IRZ ergibt sich eine vergleichsweise große Kraftstoffkonzentration, wodurch die Verbrennungstemperaturen im Betrieb des Triebwerks T im Nahfeld der Düse D gering gehalten werden sollen. Es stellt sich folglich eine Art „Totwassergebiet“ mit einem geringeren Anteil von Verbrennungs- respektive Mischluft in einer inneren Rezirkulationszone IRZ ein. 2, the respective flow body 30 or 30B located at the fuel outlet opening 33, in particular with its blunt end face 301S, supports the formation of a stable recirculating combustion zone VBZ downstream of the nozzle D. Immediately in a near field behind the nozzle end D and thus downstream of the blunt end face 301 S of the respective flow body 30 or 30B, an inner deer circulation zone IRZ is created. In this inner deer circulation zone IRZ there is a comparatively large fuel concentration, which means that the combustion temperatures during operation of the engine T in the near field of the nozzle D are to be kept low. This results in a kind of “dead water area” with a lower proportion of combustion or mixed air in an inner recirculation zone IRZ.
Dies wird insbesondere durch die sich in radialer Richtung außen am Düsenkopf DK der Düse D anschließenden inneren und äußeren Luftleitkanäle 4 und 5 der Düse D unterstützt. So wird aus der als schmaler Ringspalt ausgebildeten inneren Luftaustrittsöffnung des radial innen liegenden Luftleitkanals 4 Luft mit einem vergleichsweise großen axialen Impuls und geringem Drall in den Brennraum 1030 eingedüst. Die Luftströmung aus der ebenfalls als Ringspalt ausgebildeten Luftaustrittsöffnung (mit größerer durchströmter Querschnittsfläche) des radial äußersten Luftleitkanals 5 ist wiederum stark drallbehaftet. Im Ergebnis umhüllt die hiermit erzeugte Luftströmung die zentrale Kraftstoffströmung, zieht diese radial auf und schafft somit stromab der Düse D eine Rezirkulationszone, in welcher sich Luft und Kraftstoff mischen und die dann die drallstabilisierte, rezirkulierende Verbrennungszone VBZ ausbildet. This is supported in particular by the inner and outer air guide channels 4 and 5 of the nozzle D which adjoin the nozzle head DK of the nozzle D in the radial direction on the outside. Air is injected into the combustion chamber 1030 with a comparatively large axial impulse and low swirl from the inner air outlet opening of the radially inner air guide duct 4, which is designed as a narrow annular gap. The air flow from the air outlet opening, which is also designed as an annular gap (with a larger cross-sectional area through which flows) of the radially outermost air guide duct 5, is in turn subject to strong swirling. As a result, the air flow generated in this way envelops the central fuel flow, draws it in radially and thus creates a recirculation zone downstream of the nozzle D in which air and fuel mix and which then forms the swirl-stabilized, recirculating combustion zone VBZ.
Die die rezirkulierende Verbrennungszone VBZ umhüllende Luftströmung erzeugt zudem eine luftreiche Zone im vorderen Bereich der Brennkammer 103 um das Düsenende der Düse D herum, die in der Figur 2 als äußere Rezirkulationszone ORZ gekennzeichnet ist. Durch die Luftströmung in dieser äußeren Rezirkulationszone ORZ wird die Düse D und eine vordere Brennkammerwand der Brennkammer 103 vor der rezirkulierenden Verbrennungszone VBZ thermisch geschützt. The air flow enveloping the recirculating combustion zone VBZ also creates an air-rich zone in the front area of the combustion chamber 103 around the nozzle end of the nozzle D, which is marked in FIG. 2 as the outer recirculation zone ORZ. The air flow in this outer recirculation zone ORZ thermally protects the nozzle D and a front combustion chamber wall of the combustion chamber 103 from the recirculating combustion zone VBZ.
Unterschiedliche Gestaltungen des Kraftstoffrohres 3, der Luftleitkanäle 4, 5 und insbesondere des Strömungskörpers 30 oder 30B innerhalb des Kraftstoffrohres 3 können hierbei zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse gewählt werden, ohne von der vorgeschlagenen Lösung abzuweichen, beispielsweise mit Blick auf die Gestal- tung der Brennkammer 103, die Vorgabe unterschiedlicher Betriebsparameter des Triebwerks T (z. B. Beispiel im Hinblick auf transiente Betriebszustände, wie etwa beim Beschleunigen und Verlangsamen des Triebwerks T), die Einstellung bestimmter Flammenformen und Flammenpositionen, die Reduktion gebildeter Schadstoffe, wie z. B. von Stickoxiden, und die Reduktion auftretender thermischer Belastungen an Teilen der Düse D und/oder an der Brennkammer 103. Different designs of the fuel pipe 3, the air guide channels 4, 5 and in particular the flow body 30 or 30B within the fuel pipe 3 can be selected to influence the flow conditions without deviating from the proposed solution, for example with regard to the design. tion of the combustion chamber 103, the specification of different operating parameters of the engine T (e.g. example with regard to transient operating states, such as when accelerating and decelerating the engine T), the setting of certain flame shapes and flame positions, the reduction of pollutants formed, such as. B. of nitrogen oxides, and the reduction of thermal loads occurring on parts of the nozzle D and / or on the combustion chamber 103.
Bei der Ausführungsvariante der Figur 3A ist beispielsweise der zentrale, zapfenförmige Strömungskörper 30 innerhalb des Kraftstoffrohres 3 stromauf bis an eine Rückwand des Kraftstoffrohres 3 oder sogar bis an die Stirnwand DW der Düse D geführt. Das Kraftstoffrohr 3 weist somit durchgängig entlang der Düsenlängsachse L einen ringförmigen Querschnitt auf. 3A, for example, the central, peg-shaped flow body 30 is guided within the fuel pipe 3 upstream to a rear wall of the fuel pipe 3 or even to the end wall DW of the nozzle D. The fuel pipe 3 thus has an annular cross section throughout along the nozzle longitudinal axis L.
Bei der Ausführungsvariante der Figur 3A sind (wie bei der Variante der Figur 1 ) im Bereich des stromauf liegenden Endes 301 des Strömungskörpers 3 radial erstreckte Stützstreben 303 vorgesehen, um den rotationssymmetrischen Strömungskörper 30 im Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 zu stabilisieren und mit den Rohrwänden des Kraftstoffrohres 3 zu verbinden. Die Stützstreben 303 sind vorliegend angestellt, damit ein stromauf der Luftströmung aufgeprägter bzw. stromauf erzeugter Drall nicht verringert oder sogar zerstört wird. Eine oder mehrere Stützstreben 303 müssen im Übrigen auch nicht notwendigerweise nahe am Austritt des Kraftstoffrohrs 3 ausgebildet werden, sondern können auch weiter stromauf vorliegen, sodass sich die Strömung in einem nachfolgenden (letzten) Abschnitt des Kraftstoffrohres 3 - nach der Störung durch die Stützstreben 303 - wieder homogenisieren kann. Bei der Weiterbildung der Figur 3B sind die Stützstreben 303 entfallen. Lediglich weiter stromauf ist eine radiale Verbindung zwischen dem Strömungskörper 30 und der Rohrwand des Kraftstoffrohres 3 über die Kraftstoffverdraller 31 vorgesehen. 3A, radially extending support struts 303 are provided in the region of the upstream end 301 of the flow body 3 (as in the variant of FIG. 1) in order to stabilize the rotationally symmetrical flow body 30 in the region of the fuel outlet opening 33 and with the pipe walls of the fuel pipe 3 to connect. In the present case, the support struts 303 are positioned so that a swirl impressed or generated upstream of the air flow is not reduced or even destroyed. Incidentally, one or more support struts 303 do not necessarily have to be formed close to the outlet of the fuel pipe 3, but can also be located further upstream, so that the flow in a subsequent (last) section of the fuel pipe 3 - after the disruption caused by the support struts 303 - can homogenize again. In the further development of FIG. 3B, the support struts 303 have been omitted. Only further upstream is a radial connection between the flow body 30 and the pipe wall of the fuel pipe 3 via the fuel swirlers 31.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Düsenbaugruppe für eine definierte Zündung des Gas-Luft-Gemischs bei der zentralen Eindüsung des gasförmigen Kraft- Stoffs, insbesondere Wasserstoffs, ist in den Figuren 4A bis 4D gezeigt. Hierbei ist in den Strömungskörper 30, der insbesondere wie vorstehend und auch nachfolgend erläutert ausgebildet und in der Düsenbaugruppe angeordnet ist, ein Zündelement in Form einer Zündkerze 20 integriert. Der Düsenhauptkörper DR ist mit dem Düsenhalter DH verbunden, durch den die Kraftstoffzuleitung 1 geführt ist, welche vorliegend an eine zentrale Gasverteilungskammer kraftstoffzuführend angeschlossen ist. In dem Kraftstoff rohr 3 ist zentral der Gasinjektionskanal 16 und koaxial der Strömungskörper 30 angeordnet. In einem Ringspalt um das Kraftstoffrohr 3 ist der erste (und bei Ausführung nach Figur 4A, 4C, 4D alleinige) Luftkanal 4 ausgebildet, in dem der axiale Luftverdraller 51 angeordnet ist. Die Zündkerze 20 ist in einem koaxialen, zum Brennraum hin offenen Hohlraum des Strömungskörpers 30 eingesetzt und mit einem rückseitigen Kabelanschluss 25 (vgl. Figur 4C) mit einem Zündkabel 19 verbunden, welches durch einen rückseitigen Abschnitt des Strömungskörpers 30 und eine Stütztstruktur zum Fixieren des Strömungskörpers 30 in dem Kraftstoff rohr 3, wie Stützstrebe 303, in einen Zuleitungskanal des Düsenhalters 1 zum Anschluss an eine (hier nicht gezeigte) elektrische Versorgungs- bzw. Steuereinrichtung geführt ist. An advantageous embodiment variant of the nozzle assembly for a defined ignition of the gas-air mixture during the central injection of the gaseous power Substance, in particular hydrogen, is shown in Figures 4A to 4D. Here, an ignition element in the form of a spark plug 20 is integrated into the flow body 30, which is designed in particular as explained above and below and is arranged in the nozzle assembly. The nozzle main body DR is connected to the nozzle holder DH, through which the fuel supply line 1 is guided, which in the present case is connected to a central gas distribution chamber for supplying fuel. The gas injection channel 16 and the flow body 30 are arranged centrally in the fuel pipe 3. The first (and in the embodiment according to FIGS. 4A, 4C, 4D the only) air channel 4, in which the axial air swirler 51 is arranged, is formed in an annular gap around the fuel pipe 3. The spark plug 20 is inserted into a coaxial cavity of the flow body 30 that is open towards the combustion chamber and is connected to a rear cable connection 25 (see FIG. 4C) with an ignition cable 19, which runs through a rear section of the flow body 30 and a support structure for fixing the flow body 30 in the fuel pipe 3, like support strut 303, is guided into a feed channel of the nozzle holder 1 for connection to an electrical supply or control device (not shown here).
Wie Figur 4C zeigt, weist die Zündkerze 20 eine von einem Isolator 29 umgebene Zentralelektrode 21 und eine Masseelektrode 22 auf und ist vorteilhaft mit einem Gewinde 24 in ein komplementäres Aufnahmegewinde des Strömungskörpers 30 eingeschraubt. In dem die Zündkerze 20 aufweisenden Hohlraum 27 des Strömungskörpers 30 ist auf der von der Brennkammer 103 abgewandten Rückseite der Zündkerze 20 der Kabelanschluss z. B. mit einer Kabelrolle 26 versehen. 4C shows, the spark plug 20 has a central electrode 21 surrounded by an insulator 29 and a ground electrode 22 and is advantageously screwed with a thread 24 into a complementary receiving thread of the flow body 30. In the cavity 27 of the flow body 30 which has the spark plug 20, the cable connection is located on the back of the spark plug 20 facing away from the combustion chamber 103. B. provided with a cable reel 26.
Als Zündkerze 20 kann eine kleine, kompakte Ausführung z. B. mit einer Kerzenlänge LK im Bereich zwischen 20 mm und 40 mm, beispielsweise zwischen 25 mm und 35 mm (typischerweise mit ca. 28 mm) bei einem Durchmesser zwischen ca. 6 mm und 12 mm gewählt werden, wobei ein innerer lichter Durchmesser D0 des Hohlraums in Abstimmung auf die Zündkerze 20 gewählt ist und z. B. 8 mm und ein mittlerer Durchmesser D1 im Gewindegrund z. B. 9 mm betragen, wobei ein äußerer Durchmesse D2 des Düsenkopfs DK um den (hier nur einen) Luftkanal 4 außen z. B. 30 mm bis 50 mm, beispielsweise etwa 36 mm beträgt. Der Strömungskörper 30 im Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 kann auch hierbei mit unterschiedlich gestalteten Gasaustrittskanälen 28 versehen sein, wie z. B. in der Figur 4D in den vier nebeneinanderliegenden Abbildungen dargestellt und des Weiteren im Zusammenhang mit den vorstehenden und auch nachfolgenden Ausführungsbeispielen gezeigt. The spark plug 20 can be a small, compact version, e.g. B. with a candle length LK in the range between 20 mm and 40 mm, for example between 25 mm and 35 mm (typically with approx. 28 mm) with a diameter between approx. 6 mm and 12 mm, with an inner clear diameter D0 of the cavity is selected in coordination with the spark plug 20 and z. B. 8 mm and an average diameter D1 in the thread base e.g. B. 9 mm, with an outer one Diameter D2 of the nozzle head DK around the (here only one) air duct 4 outside z. B. 30 mm to 50 mm, for example about 36 mm. The flow body 30 in the area of the fuel outlet opening 33 can also be provided with differently designed gas outlet channels 28, such as. B. shown in Figure 4D in the four adjacent illustrations and further shown in connection with the above and subsequent exemplary embodiments.
Der Kraftstoff wird also durch das zentrale Kraftstoffrohr 3 in den Brennraum 1030 eingeleitet. Zur Optimierung und Feineinstellung der in den Brennraum 1030 eingeleiteten Kraftstoffströmung kann das Kraftstoffrohr 3, wie dargestellt, mit einer Kombination aus verschiedenen Strukturen versehen werden, um eine geeignete Kraftstoffströmung auszubilden, beispielsweise auch mittels eines axialen Kraftstoffdral- lers, der die Kraftstoffströmung mit einem Drehimpuls beaufschlagt. Als Nabe des axialen Kraftstoffdrallers dient z. B. ein, bis in den Bereich der Austrittsebene des Kraftstoffrohrs 3 hinein (gegebenenfalls einige mm darüber hinaus), rotationssymmetrischer Körper, welcher als Verlängerung der Nabe des axialen Kraftstoffdrallers ausgebildet sein kann, und mit zusätzlichen Stützstreben 303 am Ende des zentralen Kraftstoffrohrs 3 oder auch ohne solche Streben vorgesehen ist, wie z. B. anhand von Figur 3A erläutert. The fuel is therefore introduced into the combustion chamber 1030 through the central fuel pipe 3. To optimize and fine-tune the fuel flow introduced into the combustion chamber 1030, the fuel pipe 3 can, as shown, be provided with a combination of different structures in order to form a suitable fuel flow, for example also by means of an axial fuel swirler, which applies an angular momentum to the fuel flow . The hub of the axial fuel swirler serves, for example, B. a rotationally symmetrical body, up to the area of the exit plane of the fuel pipe 3 (possibly a few mm beyond), which can be designed as an extension of the hub of the axial fuel swirler, and with additional support struts 303 at the end of the central fuel pipe 3 or also is provided without such struts, such as B. explained with reference to Figure 3A.
Die in dem zentralen Strömungskörper 30 in dem Hohlraum 27 eingesetzte Zündkerze 20 wird gegen die Umgebung abgedichtet. Wie z. B. aus den Figuren 4A und 4B ersichtlich, kann der Düsenhauptkörper DR einen oder mehrere Luftkanäle 4, 5 aufweisen. Diese können ebenfalls mit Stützelementen versehen sein, mit oder ohne Drallerzeugung. Eines dieser Stützelemente kann zur Durchführung des Zündkabels 19 bzw. Versorgungskabels (gegebenenfalls zusätzlich) genutzt werden. The spark plug 20 inserted in the central flow body 30 in the cavity 27 is sealed from the environment. Such as B. can be seen from Figures 4A and 4B, the nozzle main body DR can have one or more air channels 4, 5. These can also be provided with support elements, with or without swirl generation. One of these support elements can be used to pass through the ignition cable 19 or supply cable (if necessary additionally).
Die Zündkerze sitzt axial geeignet in dem Strömungskörper 30, sodass optimiert eine Interaktion mit dem gasförmigen Kraftstoff und zur Zündung mit dem Gas-Luft- Gemisch erreicht wird. Der insbesondere stumpfe Strömungskörper 30, die Luftzu- führung über den mindestens einen Luftkanal 4, 5 und die Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoffs, führen zu der bewirkten Rezirkulation des Gas-Luft-Gemischs hin zu dem vorderen Zündabschnitt bzw. der Spitze der Zündkerze 20. Dies wird durch die dargelegte Gestaltung, auch in Abstimmung auf die Einbaubedingungen, in optimierter Weise unterstützt. The spark plug sits axially appropriately in the flow body 30, so that an optimized interaction with the gaseous fuel and, for ignition, with the gas-air mixture is achieved. The particularly blunt flow body 30, the air supply Guidance via the at least one air duct 4, 5 and the supply of the gaseous fuel, in particular hydrogen, lead to the recirculation of the gas-air mixture towards the front ignition section or the tip of the spark plug 20. This is achieved by the design presented, also supported in an optimized manner in coordination with the installation conditions.
Bei einer Ringbrennkammer mit einer Anzahl von in einem Brennkammerring R angeordneten Kraftstoffdüsen kann eine beliebige Anzahl von Düsen bzw. Düsenbaugruppen des genannten Aufbaus mit einer Zündkerze 20 ausgerüstet werden, beispielsweise mit lediglich einer, insbesondere am oder nahe dem höchsten Punkt der Brennkammer 103 (da Gas leichter als Luft ist), oder mit mehreren, z. B. gleichmäßig über den Umfang verteilt, oder durch Anordnung in jeder zweiten Düsenbaugruppe oder auch gruppiert in den Düsenbaugruppen, oder in allen Düsenbaugruppen integriert. In the case of an annular combustion chamber with a number of fuel nozzles arranged in a combustion chamber ring R, any number of nozzles or nozzle assemblies of the structure mentioned can be equipped with a spark plug 20, for example with only one, in particular at or near the highest point of the combustion chamber 103 (since gas is lighter than air), or with several, e.g. B. evenly distributed over the circumference, or by arrangement in every second nozzle assembly or grouped in the nozzle assemblies, or integrated in all nozzle assemblies.
Mit Blick auf die Fertigung eines Kraftstoffrohres 3 mit einem zentralen Strömungskörper 30, der im Bereich seines dem Brennraum 1030 zugewandten Endes 301 keine Stützstreben 303 aufweisen soll, veranschaulicht die Figur 5 ein mögliches additives Fertigungsverfahrens für den Düsenhauptkörpers DR mit dem innenliegenden Kraftstoffrohr 3. So wird hier der Düsenhauptkörpers DR mit dem innerhalb des Kraftstoffrohres 3 liegenden Strömungskörper 30 von dem Düsenende her aufgebaut, das im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand dem Brennraum 1030 zugewandt ist. Der Düsenhauptkörpers DR wird hierbei auf einer Aufbauplatte P und einer hieran vorgesehenen Stützstruktur ST schichtweise entlang einer vertikal verlaufenden Aufbaurichtung AR aufgebaut, die parallel zur Düsenlängsachse L verläuft, jedoch entgegengesetzt zur späteren Strömungsrichtung des Kraftstoffs durch das Kraftstoffrohr 3. Der Düsenhauptkörper DR mit dem Strömungskörper 30 wird hier folglich als integraler Bestandteil entlang der Vertikalen auf der Aufbauplatte P additiv aufgebaut. Aufbauend auf der Ausführungsvariante der Figur 2 zeigen die Figuren 6A und 6B in mit den Figuren 1 , 3A und 3B übereinstimmenden Ansichten exemplarisch zwei Ausführungsvarianten, bei der innerhalb des zentralen Kraftstoffrohres 3 zwei axial zueinander entlang der Düsenlängsachse L beabstandete Strömungskörper 30A und 30B vorgesehen sind. Der eine, erste stromauf liegende zapfenförmige und nach Art eines Nabenkörpers im Bereich des Kraftstoffverdrallers 31 vorgesehene Strömungskörper 30A erstreckt sich dabei nicht über die Hälfte der Länge des Kraftstoffrohres 3 hinaus. Der weiter stromab angeordnete zweite Strömungskörper 30B ist jeweils kegelförmig ausgebildet und definiert die Kraftstoffaustrittsöffnung 33 mit. Über den zweiten Strömungskörper 30B ist das Kraftstoff rohr 3 im Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 lokal verengt. Hierbei ist der jeweilige Strömungskörper 30B jeweils kegelförmig ausgebildet, wobei die stumpfe Stirnseite 301 S dem Brennraum 1030 zugewandt ist und das sich verjüngende Ende stromauf liegt und in Richtung des ersten Strömungskörpers 30A weist. Während bei der Ausführungsvariante der Figur 6A das dem ersten Strömungskörper 30A zugewandte, sich verjüngende Ende spitz zuläuft, ist dieses Ende bei der Ausführungsvariante der Figur 6B konvex gewölbt. Dies kann mit einer gewünschten Strömungsbeeinflussung in Richtung der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 einhergehen. Das in der Figur 6B gezeigte Ende ist dabei lediglich beispielhaft für eine aerodynamisch optimierte Form. Andere aerodynamische vorteilhafte Formen sind natürlich ebenfalls möglich, wie Ovoid, Ogive, Halbkugel oder Kegel (mit gegebenenfalls stumpfer oder gerundeter Spitze). With a view to the production of a fuel pipe 3 with a central flow body 30, which should not have any support struts 303 in the area of its end 301 facing the combustion chamber 1030, Figure 5 illustrates a possible additive manufacturing process for the nozzle main body DR with the internal fuel pipe 3. This is how it is Here the nozzle main body DR with the flow body 30 located within the fuel pipe 3 is constructed from the nozzle end, which faces the combustion chamber 1030 when installed as intended. The nozzle main body DR is built up in layers on a construction plate P and a support structure ST provided thereon along a vertical construction direction AR, which runs parallel to the nozzle longitudinal axis L, but opposite to the later flow direction of the fuel through the fuel pipe 3. The nozzle main body DR with the flow body 30 is consequently built up additively here as an integral component along the vertical on the mounting plate P. Building on the embodiment variant of FIG. The first upstream flow body 30A, which is cone-shaped and is provided in the area of the fuel swirler 31 in the manner of a hub body, does not extend beyond half the length of the fuel pipe 3. The second flow body 30B, which is arranged further downstream, is each conical and defines the fuel outlet opening 33. The fuel pipe 3 is locally narrowed in the area of the fuel outlet opening 33 via the second flow body 30B. Here, the respective flow body 30B is conical, with the blunt end face 301S facing the combustion chamber 1030 and the tapered end lying upstream and pointing in the direction of the first flow body 30A. While in the embodiment variant of FIG. 6A the tapering end facing the first flow body 30A tapers to a point, in the embodiment variant of FIG. 6B this end is convexly curved. This can be accompanied by a desired flow influence in the direction of the fuel outlet opening 33. The end shown in FIG. 6B is merely an example of an aerodynamically optimized shape. Other aerodynamically advantageous shapes are of course also possible, such as ovoid, ogive, hemisphere or cone (with an optional blunt or rounded tip).
Unabhängig von der Verwendung eines einzelnen durchgehenden Strömungskörpers 30 oder zweier zueinander axial versetzter Strömungskörper 30A, 30B innerhalb des Kraftstoffrohres 3 ist bei den dargestellten Ausführungsvarianten jeweils vorgesehen, dass über den jeweiligen im Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 vorgesehenen Strömungskörper 30 oder 30B eine lokale Verengung der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 realisiert ist, um die Kraftstoffströmung beim Einströmen in den Brennraum 1030 zu beschleunigen. So wird dann der jeweilige Strömungskörper 30, 30B entsprechend so gestaltet, dass eine endseitige Aufweitung des Durchmessers des Kraftstoffrohres 3, um die Kraftstoffströmung radial nach außen zu lenken, durch eine Aufweitung des Strömungskörpers 30 oder 30B zu seinem Ende hin wenigstens kompensiert oder sogar überkompensiert wird. Derart verjüngt sich ein Ringspalt der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 zum Düsenende hin. Regardless of the use of a single continuous flow body 30 or two axially offset flow bodies 30A, 30B within the fuel pipe 3, in the embodiment variants shown, provision is made in each case for a local narrowing of the fuel outlet opening 33 via the respective flow body 30 or 30B provided in the area of the fuel outlet opening 33 is realized in order to accelerate the fuel flow as it flows into the combustion chamber 1030. The respective flow body 30, 30B is then designed accordingly so that the diameter is expanded at the end of the fuel pipe 3, in order to direct the fuel flow radially outwards, is at least compensated or even overcompensated by an expansion of the flow body 30 or 30B towards its end. In this way, an annular gap in the fuel outlet opening 33 tapers towards the end of the nozzle.
Die Einzeldarstellungen der Figuren 7A bis 9B veranschaulichen unterschiedliche Möglichkeiten, an einer äußeren Mantelfläche des jeweiligen Strömungskörpers 30B oder 30 (zumindest im Bereich des kraftstoffaustrittsöffnungsnahen Endes 301 ) zusätzlich hervorstehende Abschnitte 304 vorzusehen. Bei den Ausführungsvananten der Figuren 7A und 7B sind beispielsweise vorstehende Rippen 304 vorgesehen, die umfangsseitig um die Düsenlängsachse L umlaufen und axial zueinander beab- standet sind. Hierüber lässt sich ein Wärmeübertrag von dem typischerweise metallischen Strömungskörper 30B oder 30 an den zur Kühlung nutzbaren Kraftstoff verbessern. The individual representations of Figures 7A to 9B illustrate different options for providing additional protruding sections 304 on an outer lateral surface of the respective flow body 30B or 30 (at least in the area of the end 301 near the fuel outlet opening). In the embodiment variants of FIGS. 7A and 7B, for example, protruding ribs 304 are provided, which run circumferentially around the nozzle longitudinal axis L and are axially spaced apart from one another. This can be used to improve heat transfer from the typically metallic flow body 30B or 30 to the fuel that can be used for cooling.
Darüber hinaus ist anhand der Ausführungsvariante der Figur 7A und 7B ersichtlich, dass die stumpfe Stirnseite 301 S nicht zwingend vollkommen plan ausgeführt sein muss, sondern gegebenenfalls auch konkav (in Richtung des Inneren des Kraftstoffrohres 3) gewölbt ausgeführt sein kann. In addition, based on the embodiment variant of Figures 7A and 7B it can be seen that the blunt end face 301S does not necessarily have to be completely flat, but can also be concave (in the direction of the interior of the fuel pipe 3).
Bei der Ausführungsvariante der Figuren 8A und 8B sind einzelne Rippen 304 an einer äußeren Mantelfläche des jeweiligen Strömungskörpers 30B oder 30 in Umfangsrichtung um die Düsenlängsachse L zueinander beabstandet und jeweils längserstreckt ausgeführt. Zudem ist hier exemplarisch eine konvexe Wölbung der stumpfen Stirnseite 301 S vorgesehen. In the embodiment variant of Figures 8A and 8B, individual ribs 304 on an outer lateral surface of the respective flow body 30B or 30 are spaced apart from one another in the circumferential direction about the nozzle longitudinal axis L and are each designed to extend longitudinally. In addition, a convex curvature of the blunt end face 301 S is provided here as an example.
Bei der Ausführungsvariante der Figuren 9A und 9B ist in Abwandlung der Ausführungsvarianten der Figuren 7A bis 8B an einer jeweiligen äußeren Mantelfläche eines Strömungskörpers 30B oder 30 eine Rippenstruktur mit Rippen 304 vorgesehen, die jeweils schräg zur Düsenlängsachse L und damit beispielsweise einem Abschnitt einer Spirale um die Düsenlängsachse L folgend (d.h. helixförmig) an der Mantelfläche entlang verlaufen. Insbesondere bei einer derartigen Ausführungsvariante kann über das sich ergebende Rippenmuster im Betrieb des Triebwerks T nicht nur ein Wärmeübergang zwischen dem heißeren Metall des jeweiligen Strömungskörpers 30B oder 30 und dem kühleren Kraftstoff intensiviert werden. Vielmehr kann hier über die jeweilige Rippenstruktur auch dem Kraftstoffstrom eine radiale Bewegungskomponente (zusätzlich) aufgeprägt werden. Die vorstehenden Rippen 304 der Figuren 9A und 9B sind folglich so auf der äußeren Mantelfläche angeordnet, dass hierüber einem etwaigen der Kraftstoffströmung bereits gezielt aufgeprägten Drall nicht entgegengewirkt oder ein solcher Drall gegebenenfalls sogar unterstützt wird. In the embodiment variant of Figures 9A and 9B, in a modification of the embodiment variants of Figures 7A to 8B, a rib structure with ribs 304 is provided on a respective outer lateral surface of a flow body 30B or 30, each of which is oblique to the nozzle longitudinal axis L and thus, for example, a section following a spiral around the nozzle longitudinal axis L (ie helically) along the lateral surface. In particular, in such an embodiment variant, not only heat transfer between the hotter metal of the respective flow body 30B or 30 and the cooler fuel can be intensified via the resulting rib pattern during operation of the engine T. Rather, a radial movement component can also be (additionally) impressed on the fuel flow via the respective rib structure. The protruding ribs 304 of Figures 9A and 9B are consequently arranged on the outer lateral surface in such a way that any swirl that has already been specifically imposed on the fuel flow is not counteracted or such a swirl may even be supported.
Die Figuren 10A und 10B zeigen unterschiedliche Ansichten einer alternativen Oberflächenbehandlung der Mantelfläche des zweiten kegelförmigen Strömungskörpers 30B. Hier ist an der umströmten Mantelfläche eine Mehrzahl von Vertiefungen 305, beispielsweise in Form von Bohrungen oder Dellen, vorgesehen. Auch hierüber wird die Strömung entlang der Mantelfläche des Strömungskörpers 30B mit Blick auf einen verbesserten Wärmeübertrag positiv beeinflusst. Figures 10A and 10B show different views of an alternative surface treatment of the lateral surface of the second conical flow body 30B. Here, a plurality of depressions 305, for example in the form of bores or dents, are provided on the lateral surface around which the flow flows. This also positively influences the flow along the lateral surface of the flow body 30B with a view to improved heat transfer.
Die Figur 11 zeigt eine zu der Variante der Figuren 10A und 10B analoge Gestaltung eines durchgängigen Strömungskörpers 30 mit einer Mehrzahl gleichverteilter Vertiefungen 305 an dessen äußerer Mantelfläche. Figure 11 shows a design analogous to the variant in Figures 10A and 10B of a continuous flow body 30 with a plurality of equally distributed depressions 305 on its outer surface.
Die Figuren 12 und 13 zeigen exemplarisch zwei unterschiedliche Konfigurationen des Düsenhauptkörpers DR mit dem Düsenkopf DK ohne einen innerhalb des Kraftstoffrohres 3 angeordneten Strömungskörper. Im Unterschied zu der Ausführungsvariante der Figur 12 ist dabei in dem radial äußersten Luftleitkanal 5 der Ausführungsvariante der Figur 13 kein Axialverdraller 51 vorgesehen. Vielmehr sind hier eine oder mehrere Radialverdraller 52 innerhalb des radial äußersten Luftleitkanals 5 angeordnet. Unabhängig von der Verwendung von Axialverdrallern 51 oder Radialverdrallern 52 sowie auch unabhängig von der Verwendung eines oder mehrerer Strömungskörper 30 oder 30A/30B bietet sich am Düsenende einer vorgeschlagenen Düse D ein axialer Versatz zwischen den einzelnen Luftaustrittsöffnungen der ersten und zweiten Luftleitkanäle 4 und 5 sowie der Kraftaustrittsöffnung 33 des Kraftstoffrohres 3 an. Hierbei steht dann beispielsweise ein (Abström-) Rand des Kraftstoffrohres 3 axial am weitesten entlang der Düsenlängsachse L vor, sodass dessen Kraftstoffaustrittsöffnung im Bereich einer ersten virtuellen (Austritts-) Ebene E3 liegt, die senkrecht zu der Düsenlängsachse L verläuft und weiter stromab liegt als weitere virtuelle Ebenen E1 und E2, in denen die Luftaustrittsöffnungen des radial äußersten Luftleitkanals 5 und des inneren Luftleitkanals 4 liegen. Die Ebene E3 des zentralen Kraftstoffrohrs 3 ragt somit am tiefsten in den Brennraum 1030 hinein ein. Die Austrittsebene E2 des radial weiter außen sich anschließenden inneren Luftleitkanals 4 fluchtet hiermit oder ist - wie in der Figur 14 dargestellt - axial zurückgesetzt und dringt damit etwas weniger in den Brennraum 1030 hinein ein. Am weitesten axial zurückgesetzt ist vorliegend die Luftaustrittsöffnung des radial äußersten Luftleitkanals 5 mit dem Luftver- draller 51 (oder 52). Grundsätzlich kann für Eindringtiefen e3, e2, e1 der jeweiligen Austrittöffnungen bzw. Kanäle und Rohre e3 > e2 > e1 gelten. Die (Austritts-) Ebene E3 des Kraftstoff roh res 3 liegt somit am weitesten im Brennraum 1030 und dringt damit am weitesten in den Brennraum 1030 hinein ein. Die (Austritts-) Ebene E2 des inneren Luftleitkanals 4 ist mit dieser Ebene E3 gleichauf oder dringt etwas weniger in den Brennraum 1030 hinein ein, während die (Austritts-) Ebene 1 des äußersten, der (stärkeren) Luftverdrallung dienenden Luftleitkanals 5 mit dem inneren Luftleitkanal 4 gleichauf endet oder etwas weniger in den Brennraum 1030 hinein eindringt. Figures 12 and 13 show examples of two different configurations of the nozzle main body DR with the nozzle head DK without a flow body arranged within the fuel pipe 3. In contrast to the embodiment variant of FIG. 12, no axial twister 51 is provided in the radially outermost air guide duct 5 of the embodiment variant of FIG. 13. Rather, one or more radial twisters 52 are arranged here within the radially outermost air guide duct 5. Regardless of the use of axial twisters 51 or radial twisters 52 and also regardless of the use of one or more flow bodies 30 or 30A/30B, there is an axial offset at the nozzle end of a proposed nozzle D between the individual air outlet openings of the first and second air guide channels 4 and 5 as well as the Power outlet opening 33 of the fuel pipe 3. Here, for example, an (outflow) edge of the fuel pipe 3 projects axially furthest along the nozzle longitudinal axis L, so that its fuel outlet opening lies in the area of a first virtual (exit) plane E3, which runs perpendicular to the nozzle longitudinal axis L and lies further downstream than further virtual levels E1 and E2, in which the air outlet openings of the radially outermost air duct 5 and the inner air duct 4 are located. The level E3 of the central fuel pipe 3 therefore projects deepest into the combustion chamber 1030. The exit plane E2 of the inner air guide duct 4, which adjoins radially further out, is aligned with this or is - as shown in Figure 14 - axially set back and therefore penetrates slightly less into the combustion chamber 1030. In the present case, the air outlet opening of the radially outermost air guide duct 5 with the air swirler 51 (or 52) is set back the furthest axially. In principle, e3 > e2 > e1 can apply to penetration depths e3, e2, e1 of the respective outlet openings or channels and pipes. The (exit) level E3 of the fuel pipe res 3 is therefore the furthest in the combustion chamber 1030 and therefore penetrates the furthest into the combustion chamber 1030. The (exit) level E2 of the inner air duct 4 is on the same level as this level E3 or penetrates slightly less into the combustion chamber 1030, while the (exit) level 1 of the outermost air duct 5, which serves for (stronger) air swirl, with the inner one Air duct 4 ends at the same level or penetrates slightly less into the combustion chamber 1030.
Der axiale Versatz der Luftaustritts- und Kraftstoffaustrittsöffnungen kann beispielsweise die Reduzierung einer thermischen Belastung der Komponenten der Düse D am Düsenende ermöglichen. So entstehen Zonen, in denen Kraftstoff und Luft miteinander in Kontakt kommen und damit eine Wärmefreisetzung infolge einer chemischen Verbrennungsreaktion stattfinden kann, erst weiter stromab der Düse D. Zu- dem ist über den eingestellten axialen Versatz eine Interaktion der einzelnen Strömungspfade miteinander, insbesondere eine Beeinflussung durch eventuell aufgeprägten Drall feiner justierbar. Dies kann sich insbesondere für eine etwaige Anpassung des Stabilitätsverhaltens des Brenners, der Flammenform und der Flammenposition, der Schadstoffbildungsrate (im Fall von Wasserstoff im Hinblick auf Stickoxide) und eine thermische Belastung der Düse D und der Brennkammer 103 vorteilhaft auswirken. The axial offset of the air outlet and fuel outlet openings can, for example, make it possible to reduce thermal stress on the components of the nozzle D at the nozzle end. This creates zones in which fuel and air come into contact with one another and heat can be released as a result of a chemical combustion reaction, further downstream from the nozzle D. The interaction of the individual flow paths with one another, in particular the influence of any swirl that may be imposed, can be adjusted more precisely via the set axial offset. This can be particularly advantageous for any adjustment of the stability behavior of the burner, the flame shape and flame position, the pollutant formation rate (in the case of hydrogen with regard to nitrogen oxides) and a thermal load on the nozzle D and the combustion chamber 103.
Grundsätzlich kann das brennraumseitige Ende des zentralen Kraftstoffrohres 3 im Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung 33 unterschiedlich geometrisch ausgestaltet sein. Gerade aber mit Blick auf einen gasförmig einzudüsenden Kraftstoff mit schneller Reaktionskinetik, wie z. B. Wasserstoff, ist zu berücksichtigen, dass sich eine Flamme sehr nahe am Düsenende der Düse D verankern kann. Insbesondere kann bei bestimmten Betriebspunkten des Triebwerks T ein entsprechender Ankerpunkt der rezirkulierenden Verbrennungszone VBZ unmittelbar an der Abströmkante des Kraftstoffrohres 3 liegen. Die Figuren 15A, 15B und 15C veranschaulichen vor diesem Hintergrund exemplarisch unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten für einen dem Brennraum 1030 zugewandten und die Kraftstoffaustrittsöffnung 33 beranden- den Rand des Kraftstoffrohres 3. In principle, the combustion chamber end of the central fuel pipe 3 in the area of the fuel outlet opening 33 can be designed differently geometrically. But especially with a view to a fuel to be injected in gaseous form with fast reaction kinetics, such as. B. hydrogen, it must be taken into account that a flame can anchor itself very close to the nozzle end of the nozzle D. In particular, at certain operating points of the engine T, a corresponding anchor point of the recirculating combustion zone VBZ can be located directly on the trailing edge of the fuel pipe 3. Against this background, Figures 15A, 15B and 15C illustrate exemplary different design options for an edge of the fuel pipe 3 that faces the combustion chamber 1030 and borders the fuel outlet opening 33.
Bei der Ausführungsvariante der Figur 15A weist das Kraftstoffrohr 3 an dem um die Düsenlängsachse L umlaufenden Rand eine radial nach außen geneigte Fase 330 auf, die zum axialen Ende des Kraftstoffrohres 3 spitz zuläuft. Eine solche spitz zulaufende Fase 330 hat den Vorteil, dass die Kraftstoff- und Luftströmungen tangential aufeinandertreffen. Hierdurch bleibt jeweils eine vergleichsweise hohe Abströmgeschwindigkeit der Strömungen aus der Düse D erhalten und die Wärmefreisetzung im Bereich des vorstehend angesprochenen Ankerpunkts bleibt gering. Die spitz zulaufende Fase 330 kann hierbei jedoch mit Blick darauf nachteilig sein, dass in dem Bereich der Spitze eingebrachte Wärme nicht ausreichend schnell über die Rohrwand des Kraftstoffrohres 3 abgeführt werden kann. Hierdurch kann die Gefahr be- stehen, dass die Spitze im Betrieb des Triebwerks T thermisch überlastet, wenn nicht weitere Maßnahmen ergriffen werden. In the embodiment variant of Figure 15A, the fuel pipe 3 has a radially outwardly inclined chamfer 330 on the edge surrounding the nozzle longitudinal axis L, which tapers to a point towards the axial end of the fuel pipe 3. Such a tapered chamfer 330 has the advantage that the fuel and air flows meet each other tangentially. As a result, a comparatively high outflow velocity of the flows from the nozzle D is maintained and the heat release in the area of the anchor point mentioned above remains low. However, the tapered chamfer 330 can be disadvantageous in view of the fact that heat introduced in the area of the tip cannot be dissipated sufficiently quickly via the pipe wall of the fuel pipe 3. This can pose a danger This means that the tip will be thermally overloaded during operation of the engine T if no further measures are taken.
Die Figuren 15B und 15C zeigen eine alternative Gestaltung einer Endgeometrie des Kraftstoffrohres 3. Hier geht jeweils die radial nach außen geneigte Fase 330 in eine stumpfe Endgeometrie über. Während bei der Ausführungsvariante der Figur 15B ein Übergang in eine Rundung vorgesehen ist, mündet die Endgeometrie der Ausführungsvariante der Figur 15C in eine stumpfe Abschlussebene. Bei beiden Varianten der Figuren 15B und 15C treffen zwar Kraftstoff- und Luftströmungen nicht mehr derart (ideal) tangential aufeinander wie bei der Variante der Figur 15A. Vielmehr wird durch die stumpfe Endgeometrie ein kleines „Totwassergebiet“ stromab der Endgeometrie erzeugt, in welchem sich Kraftstoff und Luft mischen können und in dem eine lokal hohe Wärmefreisetzung infolge Verbrennung auftreten kann. Jedoch kann die hierbei in die Endgeometrie eingebrachte Wärme durch Wärmeleitung in der Rohrwand des Kraftstoffrohres besser abtransportiert werden als im Fall einer spitz zulaufenden Fase 330 entsprechend der Figur 15A. Figures 15B and 15C show an alternative design of a final geometry of the fuel pipe 3. Here, the radially outwardly inclined chamfer 330 merges into a blunt final geometry. While in the embodiment variant of Figure 15B a transition into a curve is provided, the final geometry of the embodiment variant of Figure 15C opens into a blunt final plane. In both variants of Figures 15B and 15C, fuel and air flows no longer meet one another in such an (ideal) tangential manner as in the variant of Figure 15A. Rather, the blunt end geometry creates a small “dead water area” downstream of the end geometry, in which fuel and air can mix and in which a locally high level of heat release can occur as a result of combustion. However, the heat introduced into the final geometry can be better transported away by heat conduction in the pipe wall of the fuel pipe than in the case of a tapered chamfer 330 according to FIG. 15A.
Um die Zuführung von Luft in die Luftkanäle 4 und 5 am Düsenkopf DK der Düse D zu unterstützen, sieht eine mögliche Weiterbildung gemäß der Figur 16 vor, dass an der äußeren Wandung 45 und der äußersten Wandung 55 stromauf Einlauflippen 450 und 550 ausgebildet sind. Über diese Einlauflippen 450 und 550 wird Luft aus dem Verdichter V, die an dem Düsenhauptkörper DR vorbeiströmt, gezielt radial nach innen in die Luftleitkanäle 4 und 5 hinein geleitet. Hiermit kann insbesondere einer eventuellen nachteiligen Anströmung der Luftleitkanäle 4 und 5 durch einen vergleichsweise dicken Kopfbereich des Düsenhauptkörpers DR effektiv entgegengewirkt werden, sodass dennoch eine ausreichend große Luftmenge in die Luftleitkanäle 4 und 5 gelangt. In order to support the supply of air into the air channels 4 and 5 on the nozzle head DK of the nozzle D, a possible development according to FIG. 16 provides that inlet lips 450 and 550 are formed on the outer wall 45 and the outermost wall 55 upstream. Via these inlet lips 450 and 550, air from the compressor V, which flows past the nozzle main body DR, is directed radially inwards into the air guide channels 4 and 5. In this way, in particular, any adverse flow into the air ducts 4 and 5 can be effectively counteracted by a comparatively thick head region of the nozzle main body DR, so that a sufficiently large amount of air still reaches the air ducts 4 and 5.
Die Detailansicht in der Figuren 17A und 17B veranschaulichen mögliche Gestaltungen eines Endbereichs des radial inneren Luftleitkanals 4. So ist in beiden Ausfüh- rungsvarianten der Figuren 17A und 17B eine lokale Verengung des inneren Luftleitkanals 4 zu dessen Luftaustrittsöffnung hin vorgesehen. Abschnitte der inneren und äußeren Wandungen 43 und 45 werden hier somit im Bereich der Luftaustrittsöffnung einander angenähert. Damit verengt sich der innere Luftleitkanal 4 hier jeweils düsenförmig, um die Austrittsgeschwindigkeit der einströmenden Luft weiter zu erhöhen. Figur 17B zeigt zudem eine geringfügige radiale Umlenkung der Luftströmung in Richtung der Düsenlängsachse L. The detailed view in Figures 17A and 17B illustrate possible designs of an end region of the radially inner air guide duct 4. In both versions, 17A and 17B, a local narrowing of the inner air duct 4 towards its air outlet opening is provided. Sections of the inner and outer walls 43 and 45 are thus brought closer to one another in the area of the air outlet opening. The inner air duct 4 thus narrows in the shape of a nozzle in order to further increase the exit speed of the inflowing air. Figure 17B also shows a slight radial deflection of the air flow in the direction of the nozzle longitudinal axis L.
Es versteht sich, dass die vorgeschlagene Lösung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung erstreckt sich auf alle Kombinationen und Unter- kombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, und umfasst diese. It is understood that the proposed solution is not limited to the embodiments described above and various modifications and improvements can be made without departing from the concepts described herein. Any of the features may be used separately or in combination with any other features unless they are mutually exclusive, and the disclosure extends to and includes all combinations and subcombinations of one or more features described herein.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
1 Kraftstoffzuleitung 1 fuel supply line
103 Brennkammer 103 combustion chamber
1030 Brennraum 1030 combustion chamber
11 Kraftstoffringreservoir 11 Fuel ring reservoir
111 Niederdruckverdichter 111 low pressure compressor
112 Hochdruckverdichter 112 high pressure compressors
113 Hochdruckturbine 113 high pressure turbine
114 Mitteldruckturbine 114 medium pressure turbine
115 Niederdruckturbine 115 low pressure turbine
12 Kraftstoffverteilleitung 12 fuel distribution line
14 Brennkammerkopf 14 combustion chamber head
15 zentrale Gasverteilungskammer 15 central gas distribution chamber
16 Gasinjektionskanal (ausgebildet als Kraftstoffrohr) 16 gas injection channel (designed as a fuel pipe)
19 Zündkabel 19 ignition cables
20 Zündkerze 20 spark plug
21 Zentralelektrode 21 central electrode
22 Masseelektrode 22 ground electrode
23 Durchgangsöffnung 23 passage opening
24 Gewinde 24 threads
25 Kabelanschluss 25 cable connection
26 Kabelrolle 26 cable roll
27 Hohlraum für Zündkerze 27 Spark plug cavity
28 Gaskanäle 28 gas channels
29 Isolator 29 insulator
2A Ringkammer (Zuleitungsreservoir) 2A annular chamber (supply reservoir)
3 Kraftstoffrohr 3A, 3B Rohrabschnitt 3 fuel pipe 3A, 3B pipe section
30, 30A, 30B Strömungskörper 30, 30A, 30B flow bodies
300, 301 Ende 300, 301 end
3010 Leitkragen (Leitelement) 3010 guide collar (guide element)
301 S Stirnseite 301 S front side
303 Stützstrebe 303 support strut
304 Rippe 304 rib
305 Vertiefung 305 deepening
31 Kraftstoffverdraller (Drallelement)31 fuel swirler (swirl element)
33 Kraftstoffaustrittsöffnung 33 Fuel outlet opening
330 Fase 330 bevel
4 Erster Luftleitkanal / Ringspalt4 First air duct / annular gap
43 Innere Wandung 43 Inner wall
45 Äußere Wandung 45 Outer wall
450 Einlauflippe 450 inlet lip
5 Zweiter Luftleitkanal 5 Second air duct
51 Axialer Luftverdraller (Drallelement)51 Axial air swirler (swirl element)
52 Radialer Luftverdraller (Drallelement)52 Radial air swirler (swirl element)
55 Äußerste Wandung 55 Outermost wall
550 Einlauflippe 550 inlet lip
6 äußere Luftführung 6 external air duct
7 mittlerer Luftkanal 7 middle air duct
8 mittlerer Draller 8 medium twisters
9 Kraftstoffeindüsung 9 fuel injection
A Auslass A outlet
AR Aufbaurichtung AR construction direction
AL äußerer Luftkanal AL external air duct
AD äußerer Draller AD outer twister
B Bypasskanal B bypass channel
BK Brennkammerbaugruppe BR BrennerdichtungBK combustion chamber assembly BR burner gasket
C Auslasskonus C outlet cone
D Düse D nozzle
DO innerer DurchmesserDO inner diameter
D1 mittlerer DurchmesserD1 medium diameter
D2 äußerer DurchmesserD2 outer diameter
DH Düsenhalter DH nozzle holder
DK Düsenkopf DK nozzle head
DR Düsenhauptkörper DR nozzle main body
DW Stirnwand DW front wall
E Einlass / Intake E Inlet / Intake
E1 , E2, E3 (Austritts-) Ebene E1, E2, E3 (exit) level
F Fan F fan
F1 , F2 Fluidstrom F1, F2 fluid flow
FC Fangehäuse FC fan housing
G Außengehäuse G outer casing
ID innerer Draller ID inner twister
IL innerer Luftkanal IL inner air duct
IRZ Innere RezirkulationszoneIRZ inner recirculation zone
L Düsenlängsachse L nozzle longitudinal axis
LK Kerzenlänge LK candle length
M Mittelachse / RotationsachseM central axis / rotation axis
ORZ Äußere RezirkulationszoneORZ Outer recirculation zone
P Aufbauplatte P assembly plate
R Brennkammerring R combustion chamber ring
S Rotorwelle S rotor shaft
ST Stützstruktur ST support structure
T (Turbofan-)T riebwerkT (turbofan) engine
TT Turbine TT turbine
V Verdichter VBZ Rezirkulierende VerbrennungszoneV compressor VBZ Recirculating combustion zone
W Innenwand W interior wall

Claims

Ansprüche Expectations
1. Düsenbaugruppe für eine Brennkammer (103) eines Triebwerks (T), mit wenigstens einer Düse (D) zum Eindüsen von Kraftstoff in einen Brennraum (1030) der Brennkammer (103), wobei die Düse (D) einen sich entlang einer Düsenlängsachse (L) erstreckenden Düsenhauptkörper (DR) mit Düsenkopf (DK) und einen mit dem Düsenhauptkörper (DR) verbundenen und mindestens eine Kraftstoffzuleitung (1 ) aufweisenden Düsenhalter (DH) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenhauptkörper (DR) ein zentrales, sich entlang der Düsenlängsachse (L) erstreckendes Kraftstoff rohr (3) umfasst und an dem Düsenkopf (DK) wenigstens zwei radial zueinander beabstandete Luftleitkanäle (4, 5) mit jeweils wenigstens einer Luftaustrittsöffnung vorgesehen sind. 1. Nozzle assembly for a combustion chamber (103) of an engine (T), with at least one nozzle (D) for injecting fuel into a combustion chamber (1030) of the combustion chamber (103), the nozzle (D) extending along a nozzle longitudinal axis ( L) extending nozzle main body (DR) with nozzle head (DK) and a nozzle holder (DH) connected to the nozzle main body (DR) and having at least one fuel supply line (1), characterized in that the nozzle main body (DR) has a central, located along the Fuel pipe (3) extending along the nozzle longitudinal axis (L) and at least two radially spaced air guide channels (4, 5) each with at least one air outlet opening are provided on the nozzle head (DK).
2. Düsenbaugruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffrohr (3) mit seiner Kraftstoffaustrittsöffnung (33) gegenüber den Luftaustrittsöffnungen, bezogen auf die Düsenlängsachse (L), axial vorsteht. 2. Nozzle assembly according to claim 1, characterized in that the fuel pipe (3) with its fuel outlet opening (33) projects axially relative to the air outlet openings, based on the nozzle longitudinal axis (L).
3. Düsenbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Luftaustrittsöffnung eines radial äußersten Luftleitkanals (5) der wenigstens zwei Luftleitkanäle (4, 5) eine größere Querschnittsfläche aufweist als eine innere Luftaustrittsöffnung eines inneren Luftleitkanals (4) der wenigstens zwei Luftleitkanäle (4, 5), der an dem Düsenkopf (DK) zwischen dem radial äußersten Luftleitkanal (5) und einem Abschnitt des Kraftstoffrohres (3) verläuft. 3. Nozzle assembly according to claim 1 or 2, characterized in that an outer air outlet opening of a radially outermost air duct (5) of the at least two air ducts (4, 5) has a larger cross-sectional area than an inner air outlet opening of an inner air duct (4) of the at least two air ducts (4, 5), which is on the nozzle head (DK) between the radially outermost air duct (5) and a section of the fuel pipe (3).
4. Düsenbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Luftaustrittsöffnung eine wenigstens um den Faktor 2 größere Querschnittsfläche aufweist als die innere Luftaustrittsöffnung. 4. Nozzle assembly according to claim 3, characterized in that the outer air outlet opening has a cross-sectional area that is at least a factor of 2 larger than the inner air outlet opening.
5. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innerer Luftleitkanal (4) der zwei Luftleitkanäle (4, 5) zur Bereitstellung einer nicht drallbehafteten Luftströmung in den Brennraum (1030) eingerichtet und vorgesehen ist oder der radial innere Luftleitkanal (4) zur Bereitstellung einer Luftströmung in den Brennraum (1030) eingerichtet und vorgesehen ist, die zumindest einen geringeren Drall aufweist als eine Luftströmung, die über einen radial äußersten Luftleitkanal (5) der zwei Luftleitkanäle (4, 5) in den Brennraum (1030) bereitgestellt wird. 5. Nozzle assembly according to one of the preceding claims, characterized in that a radially inner air duct (4) of the two air ducts (4, 5) is set up and provided to provide a non-swirl air flow into the combustion chamber (1030) or the radially inner air duct ( 4) is set up and provided to provide an air flow into the combustion chamber (1030) which has at least a lower swirl than an air flow which flows into the combustion chamber (1030) via a radially outermost air duct (5) of the two air ducts (4, 5). provided.
6. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einem radial äußersten Luftleitkanal (5) der wenigstens zwei Luftleitkanäle (4, 5) ein oder mehrere Axial- oder Radialverdraller (51 , 52) für in den Brennraum (1030) einzuströmende Luft vorgesehen sind. 6. Nozzle assembly according to one of the preceding claims, characterized in that at least in a radially outermost air duct (5) of the at least two air ducts (4, 5) one or more axial or radial swirlers (51, 52) for in the combustion chamber (1030) Air to flow in are provided.
7. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens an einem radial äußersten Luftleitkanal (5) der wenigstens zwei Luftleitkanäle (4, 5) eine oder mehrere radial nach innen weisende Einlauflippen (450, 550) vorgesehen sind, um Luft in den radial äußersten Luftleitkanal (5) und/oder einen radial inneren Luftleitkanal (4) der zwei Luftleitkanäle (4, 5) zu leiten. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein radial innerer Luftleitkanal (4) der zwei Luftleitkanäle (4, 5) zu dessen Luftaustrittsöffnung hin verengt. Düsenbaugruppe für eine Brennkammer (103) eines Triebwerks (T), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer Düse (D) zum Eindüsen von Kraftstoff in einen Brennraum (1030) der Brennkammer (103), wobei die Düse (D) einen sich entlang einer Düsenlängsachse (L) erstreckenden Düsenhauptkörper (DR) mit Düsenkopf (DK) und einen mit dem Düsenhauptkörper (DR) verbundenen und mindestens eine Kraftstoffzuleitung (1 ) aufweisenden Düsenhalter (DH) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenhauptkörper (DR) ein zentrales, sich entlang der Düsenlängsachse (L) erstreckendes Kraftstoffrohr (3) umfasst, in dem mindestens ein zentral angeordneter Strömungskörper (30; 30A, 30B) vorgesehen ist, an dessen äußerer Mantelfläche entlang dem Kraftstoffrohr (3) zugeführter Kraftstoff in Richtung einer Kraftstoffaustrittsöffnung (33) des Kraftstoffrohres (3) strömen kann, über die der Kraftstoff in den Brennraum (1030) einbringbar ist. Düsenbaugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungskörper (30; 30B) mit einem Ende (301 ) bis zu einem Düsenende der Düse (D) erstreckt. Düsenbaugruppe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in das Kraftstoffrohr (3), insbesondere in den Strömungskörper (30, 30B), eine Zündkerze (20) mit ihrem frontseitigen Zündabschnitt der Brennkammer (103) zugekehrt integriert ist. 7. Nozzle assembly according to one of the preceding claims, characterized in that one or more radially inwardly pointing inlet lips (450, 550) are provided at least on a radially outermost air duct (5) of the at least two air ducts (4, 5) in order to draw air in the radially outermost air duct (5) and/or a radially inner air duct (4) of the two air ducts (4, 5). Nozzle assembly according to one of the preceding claims, characterized in that a radially inner air duct (4) of the two air ducts (4, 5) narrows towards its air outlet opening. Nozzle assembly for a combustion chamber (103) of an engine (T), in particular according to one of the preceding claims, with at least one nozzle (D) for injecting fuel into a combustion chamber (1030) of the combustion chamber (103), the nozzle (D) being one A nozzle main body (DR) with a nozzle head (DK) extending along a nozzle longitudinal axis (L) and a nozzle holder (DH) connected to the nozzle main body (DR) and having at least one fuel supply line (1), characterized in that the nozzle main body (DR). central fuel pipe (3) extending along the nozzle longitudinal axis (L), in which at least one centrally arranged flow body (30; 30A, 30B) is provided, on the outer surface of which fuel is supplied along the fuel pipe (3) in the direction of a fuel outlet opening ( 33) of the fuel pipe (3) can flow, via which the fuel can be introduced into the combustion chamber (1030). Nozzle assembly according to claim 9, characterized in that the flow body (30; 30B) extends with one end (301) up to a nozzle end of the nozzle (D). Nozzle assembly according to claim 9 or 10, characterized in that a spark plug (20) is integrated into the fuel pipe (3), in particular into the flow body (30, 30B), with its front ignition section facing the combustion chamber (103).
12. Düsenbaugruppe nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (20) in einem zentralen Hohlraum (27) des Strömungskörpers (30, 30B) aufgenommen ist. 12. Nozzle assembly according to claim 11, characterized in that the spark plug (20) is accommodated in a central cavity (27) of the flow body (30, 30B).
13. Düsenbaugruppe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kabelanschluss zur elektrischen Ansteuerung der Zündkerze (20) durch den Strömungskörper (30, 30B) und gegebenenfalls ein Trageelement, insbesondere Stützstrebe (303), einer diesen im Kraftstoffrohr (3) haltenden Tragestruktur sowie durch den Düsenhalter (DH) geführt ist. 13. Nozzle assembly according to claim 11 or 12, characterized in that a cable connection for electrically controlling the spark plug (20) through the flow body (30, 30B) and optionally a support element, in particular a support strut (303), which holds it in the fuel pipe (3). Supporting structure and through the nozzle holder (DH).
14. Düsenbaugruppe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Brennkammer (103) hin stumpf ausgebildete Strömungskörper (30, 30B), der Bereich der Kraftstoffaustrittsöffnung (33) und der Bereich wenigstens einer Luftaustrittsöffnung mindestens eines, insbesondere in dem Düsenkörper (DR) angeordneten, Luftleitkanals (4, 5) so gestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Luftzuführung und die Gaszuführung in die Brennkammer (103) zu einer Rezirkulation des Gas-Luft-Gemischs hin zum Zündabschnitt der Zündkerze (20) führen. 14. Nozzle assembly according to claim 11 or 12, characterized in that the flow body (30, 30B) which is blunt towards the combustion chamber (103), the area of the fuel outlet opening (33) and the area of at least one air outlet opening, in particular in the nozzle body ( DR) arranged air guide duct (4, 5) are designed and coordinated with one another in such a way that the air supply and the gas supply into the combustion chamber (103) lead to a recirculation of the gas-air mixture towards the ignition section of the spark plug (20).
15. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (30; 30B) ein dem Brennraum (1030) zugewandtes Ende (301 ) mit einem Leitelement (3010) aufweist, über das an der Kraftstoff- austrittsöffnung (33) austretender Kraftstoff bezogen auf die Düsenlängsachse (L) radial nach außen geleitet wird. 15. Nozzle assembly according to one of claims to 14, characterized in that the flow body (30; 30B) has an end (301) facing the combustion chamber (1030) with a guide element (3010) via which the fuel Fuel emerging from the outlet opening (33) is directed radially outwards in relation to the nozzle longitudinal axis (L).
16. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (30; 30B) eine dem Brennraum (1030) zugewandte, zumindest bereichsweise stumpfe Stirnseite (301 S) aufweist. 16. Nozzle assembly according to one of claims 9 or 15, characterized in that the flow body (30; 30B) has an end face (301S) which is at least partially blunt and faces the combustion chamber (1030).
17. Düsenbaugruppe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (301 S) zumindest bereichsweise im Wesentlichen plan, konvex oder konkav ausgebildet ist. 17. Nozzle assembly according to claim 16, characterized in that the end face (301 S) is designed to be essentially planar, convex or concave, at least in some areas.
18. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass über den Strömungskörper (30; 30B) die Kraftstoffaustrittsöffnung (33) an dem Düsenende als Ringspalt ausgebildet und/oder lokal verengt ist. 18. Nozzle assembly according to one of claims 9 to 17, characterized in that the fuel outlet opening (33) at the nozzle end is designed as an annular gap and / or locally narrowed via the flow body (30; 30B).
19. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (30; 30A, 30B) zapfenförmig oder kegelförmig ausgebildet ist. 19. Nozzle assembly according to one of claims 9 to 18, characterized in that the flow body (30; 30A, 30B) is conical or conical.
20. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (30; 30A, 30B) symmetrisch zur Düsenlängsachse (L), insbesondere rotationssym metrisch zur Düsenlängsachse (L) ausgebildet ist. 20. Nozzle assembly according to one of claims 9 to 19, characterized in that the flow body (30; 30A, 30B) is designed symmetrically to the nozzle longitudinal axis (L), in particular rotationally symmetrical to the nozzle longitudinal axis (L).
21 . Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (30; 30A) mit einer Stirnwand (DW) der Düse (D) oder einer Rückwand des Kraftstoffrohres (3) verbunden ist. 21. Nozzle assembly according to one of claims 9 to 20, characterized in that the flow body (30; 30A) is connected to an end wall (DW) of the nozzle (D) or a rear wall of the fuel pipe (3).
22. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Kraftstoffrohres (3) zwei bezogen auf die Düsenlängsachse (L) axial zueinander beabstandete Strömungskörper (30A, 30B) vorhanden sind. 22. Nozzle assembly according to one of claims 9 to 21, characterized in that within the fuel pipe (3) there are two flow bodies (30A, 30B) which are axially spaced apart from one another with respect to the nozzle longitudinal axis (L).
23. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (30; 30A, 30B) an seiner äußeren Mantelfläche mehrere vorstehende Abschnitte (304) umfasst. 23. Nozzle assembly according to one of claims 9 to 22, characterized in that the flow body (30; 30A, 30B) comprises a plurality of projecting sections (304) on its outer surface.
24. Düsenbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (30; 30A, 30B) an seiner äußeren Mantelfläche mehrere Vertiefungen (305) umfasst. 24. Nozzle assembly according to one of claims 9 to 23, characterized in that the flow body (30; 30A, 30B) comprises a plurality of depressions (305) on its outer surface.
25. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffrohr (3) an der Kraftstoffaustrittsöffnung (33) einen um die Düsenlängsachse (L) umlaufenden Rand mit einer radial nach außen geneigten Fase (330) aufweist. 25. Nozzle assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel pipe (3) at the fuel outlet opening (33) has an edge running around the nozzle longitudinal axis (L) with a radially outwardly inclined chamfer (330).
26. Düsenbaugruppe nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Fase (330) zu einem axialen Ende des Kraftstoff roh res (3) spitz zuläuft oder in eine stumpfe Endgeometrie übergeht. 27. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffrohr (3) gegen eine Einströmung von Luft abgedichtet ist. 26. Nozzle assembly according to claim 25, characterized in that the chamfer (330) tapers to an axial end of the fuel pipe (3) or merges into a blunt end geometry. 27. Nozzle assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel pipe (3) is sealed against an inflow of air.
28. Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (D) zum Eindüsen von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere von Wasserstoff eingerichtet und vorgesehen ist. 28. Nozzle assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzle (D) is set up and provided for injecting gaseous fuel, in particular hydrogen.
29. Ringbrennkammer mit mindestens einer Düsenbaugruppe des Aufbaus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, in einem Brennkammerring (R). 29. Annular combustion chamber with at least one nozzle assembly of the structure according to one of the preceding claims, in particular according to one of claims 1 to 14, in a combustion chamber ring (R).
30. Ringbrennkammer nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Düsenbaugruppe, insbesondere am höchsten Punkt des Brennkammerrings (K), in mehreren Düsenbaugruppen oder in allen Düsenbaugruppen eine Zündkerze (20) integriert ist/sind. 30. Annular combustion chamber according to claim 29, characterized in that a spark plug (20) is/are integrated in at least one nozzle assembly, in particular at the highest point of the combustion chamber ring (K), in several nozzle assemblies or in all nozzle assemblies.
31. Triebwerk mit mindestens einer Düsenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 31. Engine with at least one nozzle assembly according to one of the preceding claims.
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