WO2008040327A1 - Düsenanordnung für die zufuhr eines brennstoffs zu einer verbrennungskammer - Google Patents
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Definitions
- Nozzle arrangement for the supply of a fuel to a combustion chamber
- the present invention relates to a nozzle arrangement for the supply of a fuel to a combustion chamber, comprising a housing having a flow channel through which the fuel flows in a direction having at least one longitudinal component flow toward a nozzle, wherein the fuel in the region of the nozzle by at least an opening formed by a cross-shaped element emerges.
- a nozzle for a burner which has on its outlet side a plurality of slot-shaped parallel outlet openings and a further opening in a right-angled arrangement, so that there is an outlet with an approximately cross-shaped opening.
- the slots parallel to the outlet openings are arranged so that the fluid, coming from the inlet side, flows through the individual slots in a diverging direction to the outlet.
- Nozzles of this type are used to inject secondary fuel into a burner system, with the nozzles arranged around a central burner so that the secondary fuel coaxially enters and is mixed with the periphery of the stream of primary fuel. Thereby, a rapid mixing of the two fuel streams is to be achieved, wherein the secondary fuel contains oxidizing combustion exhaust gases.
- a fuel injection valve with exact metering and controllable atomization of fuel for internal combustion engines is known.
- the fuel flows through a spray orifice in a nozzle plate formed by a thin sheet membrane.
- the nozzle plate is connected to a carrier plate, which rests on a piezo ceramic. This is vibrated via an alternating voltage, whereby the fuel jet is decomposed into small liquid droplets.
- the orifices in the nozzle plate which serves to assist the jet breakup, may be of various shapes, including, but not limited to, a plurality of smaller phillips apertures.
- turbulent flow processes lead to a characteristic drop size distribution, in addition to a mean droplet size and proportions of smaller and large-volume droplets are contained in the aerosol.
- a nozzle plate with sharp points and edges can enhance this sputtering effect.
- Such nozzles have the function of turbulators.
- an injection nozzle which is intended for injection of a liquid fuel in the flow part of a combustion chamber of an aircraft engine. Flame turbulence is achieved in this nozzle due to the effect of the gas-fuel mixture due to the reverse flow and countercurrent flows in the combustion chamber.
- a disadvantage of this nozzle is the laminarity of most of the fuel stream and the flame in close proximity to the nozzle tip. The mentioned disadvantage is due to the fact that the actual flow of the liquid in the nozzle is laminar virtually at every point of the cross section in the flow part of the nozzle up to its tip.
- the whirling of the burning is achieved by the gas-dynamic action on the drops, jets and the gaseous phase of the fuel directly in the flow part of the combustion chamber with respect to the main flow.
- the speed of the fluidization of the flame is relatively low, which causes the formation of zones of laminar burning.
- the object of the present invention is to provide a nozzle arrangement for the supply of a fuel to a combustion chamber of the type mentioned, which allows an increase in the Reynolds number for the flow of the fuel in the flow channel up to values which are turbulent Correspond to flow.
- At least one vortex guide is arranged in the flow channel, which gives the flow within the flow channel a circular component.
- the vortex guide preferably comprises at least one in
- the flow channel has the shape of a profiled hollow cylinder with vortex guides. This vortex guides can thus be designed similar to trains in a rifle barrel.
- the depth of at least one groove of the vortex guide increases in the flow direction. This can also be achieved by increasing the height of the radial projections between the grooves in the flow direction, which inevitably increases the depth of the grooves and thus of the vortex guides. The flow channel thereby narrows in the flow direction, which leads to an increase in pressure.
- a preferred variant of the task solution according to the invention further provides that downstream of the vortex guide, a projection is arranged, in which initially takes place an extension of the cross section of the flow channel.
- the nozzle downstream of the vortex guide, is arranged, from which the fuel exits via an opening formed by a crosspiece from the flow channel and enters a combustion chamber.
- the fuel flow is thus first turned on by the vortex guides in the channel and then enters the region of the nozzle, where it meets the obstacle formed by the crosspiece.
- the interaction with this obstacle leads to a lowering of the circular component of the flow velocity practically to zero, which in turn causes a violent local turbulence of the flow.
- the fuel flows into the combustion chamber.
- a particularly preferred structural embodiment according to a development of the task solution according to the invention provides that the opening from which the fuel emerges is formed by four quarter-circle sectors, between which each run webs of the crosspiece.
- the nozzle according to the invention makes it possible to greatly increase the Reynolds number of the fuel flow at the nozzle outlet, for example 20 to 5000 times.
- the nozzle arrangement according to the invention is particularly applicable to the injection of liquid fuel into a combustion chamber of a gas turbine engine
- Figure 1 is a schematically greatly simplified longitudinal sectional view of a nozzle .... according to an exemplary embodiment of the invention
- Figure 2 is a cross-section through the nozzle taken along section line 1-1 of Figure 1;
- Figure 3 is a cross-section through the nozzle taken along section line 2-2 of Figure 1;
- Figure 4 is a cross-section through the nozzle taken along section line 3-3 of Figure 1;
- Figure 5 is a cross-section through the nozzle taken along section line 4-4 of Figure 1;
- the nozzle arrangement comprises a housing 1, in the cavity of which a flow channel 2 for the fuel is formed, which flows through it in the direction of a nozzle 4 with a flow having a longitudinal component.
- vortex guides 3 are provided, through which the flow receives a circular component and is, as it were, turned up. It thus creates an approximately spiral flow.
- the vortex guides 3 are formed by grooves 6 and between these grooves arranged radial projections 7, which can be seen in particular from the various cross-sectional views of Figures 2 to 4.
- the longitudinal section through the housing 1 is shown, it can be seen from this that the vortex guides 3 from the input side 8 of the flow channel 2 ago seen gradually be conical deeper, characterized in that the radial extent of the radially inwardly projecting projections 7 gradually increases in the flow direction and thus the depth of the grooves 6 also increases.
- the grooves 6 thus form in the flow direction in depth gradually increasing spiral vortex guide channels.
- FIGS. 2 to 4 show the gradual change in the cross section in the interior of the flow channel 2 in the flow direction.
- the use of a nozzle arrangement of the type according to the invention makes it possible to increase the Reynolds number of the fuel flow at the nozzle inlet to 20-5,000 times, depending on the fuel consumption and engine running conditions.
- the Reynolds number in the zone of the secondary jet flame can be increased, for example, to 8 to 1000 times, which corresponds to the characteristics of a turbulent flow.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düsenanordnung für die Zufuhr eines Brennstoffs zu einer Verbrennungskammer, umfassend ein Gehäuse mit einem Strömungskanal, durch den der Brennstoff in einer mindestens auch eine Längskomponente aufweisenden Strömung in Richtung auf eine Düse strömt, wobei der Brennstoff im Bereich der Düse durch wenigstens eine durch ein kreuzförmiges Element geformte Öffnung austritt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Strömungskanal (2) mindestens eine Wirbelführung (3) angeordnet ist, die der Strömung innerhalb des Strömungskanals eine Kreiskomponente verleiht. Beim Auftreffen auf den Düsenauslass wird ein heftiges turbulent werden der Strömung verursacht. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Düsenanordnung liegt darin, dass es möglich wird, die Reynolds-Zahl des Brennstoffstroms am Düsenaustritt stark zu erhöhen, beispielsweise auf das 20- bis 5000-fache.
Description
Düsenanordnung für die Zufuhr eines Brennstoffs zu einer Verbrennungskammer
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düsenanordnung für die Zufuhr eines Brennstoffs zu einer Verbrennungskammer, umfassend ein Gehäuse mit einem Strömungskanal, durch den der Brennstoff in einer mindestens auch eine Längskomponente aufweisenden Strömung in Richtung auf eine Düse strömt, wobei der Brennstoff im Bereich der Düse durch wenigstens eine durch ein kreuzförmiges Element geformte Öffnung austritt.
Aus der US 2004/0195402 A 1 ist eine Düse für einen Brenner bekannt, die an ihrer Auslassseite mehrere schlitzförmige parallele Auslassöffnungen aufweist und eine weitere Öffnung in dazu rechtwinkliger Anordnung, so dass sich ein Auslass mit etwa kreuzförmiger Öffnung ergibt. Die an den Auslassöffnungen parallelen Schlitze sind dabei so angelegt, dass das Fluid von der Einlassseite her kommend durch die einzelnen Schlitze in divergierender Richtung zum Auslass strömt. Düsen dieser Art werden verwendet, um sekundären Brennstoff in ein Brennersystem zu injizieren, wobei die Düsen um einen zentralen Brenner herum angeordnet werden, so dass der sekundäre Brennstoff koaxial am Umfang des Stroms eines primären Brennstoffs eintritt und mit letzterem vermischt wird. Dadurch soll eine rasche Vermischung der beiden Brennstoffströme erzielt werden, wobei der sekundäre Brennstoff oxidierende Verbrennungsabgase enthält.
Aus der DE 44 09 848 A1 ist ein Kraftstoff-Einspritzventil mit exakter Zumessung und steuerbarer Zerstäubung von Kraftstoff für Verbrennungsmotoren bekannt. Der Kraftstoff strömt durch eine Zerstäuberöffnung in einer Düsenplatte, die durch eine dünne Blechmembran gebildet wird. Die Düsenplatte ist mit einer Trägerplatte verbunden, die auf einer Piezokera- mik aufliegt. Diese wird über eine Wechselspannung in Schwingungen versetzt, wodurch der Treibstoffstrahl in kleine Flüssigkeitströpfchen zersetzt wird. Die Öffnungen in der Düsenplatte, die zur Unterstützung des Strahlzerfalls dient, können verschiedene Formen aufweisen, wobei unter anderem auch eine Mehrzahl kleinerer kreuzschlitzförmiger Öffnungen verwendet werden kann. In der genannten Druckschrift wird auch ausgeführt, dass turbulente Strömungsvorgänge zu einer charakteristischen Tropfengrößenverteilung führen, bei der neben
einer mittleren Tropfengröße auch Anteile kleinerer und großvolumiger Tropfen im Aerosol enthalten sind. Die Verwendung einer Düsenplatte mit scharfen Spitzen und Kanten kann diesen beim Zerstäuben genutzten Effekt verstärken. Derartige Düsen haben die Funktion von Turbulatoren.
Aus a. Lefeuvre, „Prozesse in den Verbrennungskammern von Gasturbinenmotoren", Moskau „Mir", 1986, S. 404.407, ist eine Einspritzdüse bekannt, die zur Einspritzung eines flüssigen Brennstoffs in den Strömungsteil einer Verbrennungskammer eines Flugzeugmotors bestimmt ist. Die Flammenwirbelung wird in dieser Düse aufgrund der Einwirkung auf die Gas-Brennstoff-Mischung seitens der Sperrströme und Luftgegenströmungen in der Verbrennungskammer erreicht. Ein Nachteil dieser Düse ist die Laminarität des größten Teils des Brennstoffstroms sowie der Flamme in unmittelbarer Nähe zur Düsenspitze. Der erwähnte Nachteil ist dadurch bedingt, dass die eigentliche Strömung der Flüssigkeit in der Düse praktisch in jedem Punkt des Querschnitts im Strömungsteil der Düse bis zu deren Spitze laminar ist. Die Wirbelung des Brennens wird durch die die gasdynamische Einwirkung auf die Tropfen, Strahlen und die gasförmige Phase des Brennstoffs unmittelbar im Strömungsteil der Verbrennungskammer bezüglich des Hauptstroms erreicht. Die Geschwindigkeit der Flammenwirbelung ist relativ gering, was die Entstehung von Zonen des laminaren Brennens hervorruft.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Düsenanordnung für die Zufuhr eines Brennstoffs zu einer Verbrennungskammer der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, die eine Erhöhung der Reynolds-Zahl für die Strömung des Brennstoffs im Strömungskanal bis hin zu Werten ermöglicht, die einer turbulenten Strömung entsprechen.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Düsenanordnung für die Zufuhr eines Brennstoffs zu einer Verbrennungskammer der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Strömungskanal mindestens eine Wirbelführung angeordnet ist, die der Strömung innerhalb des Strömungskanals eine Kreiskomponente verleiht.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Düse liegt darin, dass die Strömung des Brennstoffs in dem Strömungskanal durch die Wirbelführung quasi aufgedreht wird und eine turbulente
Strömung erzeugt wird. Dazu umfasst vorzugsweise die Wirbelführung wenigstens eine in
Längsrichtung des Strömungskanals gesehen spiralförmig verlaufende Nut in der Kanalwan-
dung. Es können mehrere solcher Nuten vorgesehen sein, wobei dann zwischen diesen spiralförmig verlaufenden Nuten jeweils radiale Vorsprünge angeordnet sind. Der Brennstoff strömt dann im radial äußeren Bereich des Strömungskanals in diesen spiralförmigen Nuten und die Strömungsgeschwindigkeit erhält neben der Längskomponente eine Kreiskompo- nente. Es wird damit eine geführte etwa spiralförmige Strömung in dem Strömungskanal geschaffen, bevor der Brennstoff auf die Düse trifft. Der Strömungskanal hat die Form eines profilierten Hohlzylinders mit Wirbelführungen. Diese Wirbelführungen können somit ähnlich gestaltet sein wie Züge in einem Gewehrlauf.
Vorzugsweise ist dabei weiterhin vorgesehen, dass die Tiefe wenigstens einer Nut der Wirbelführung in Strömungsrichtung zunimmt. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass die Höhe der radialen Vorsprünge zwischen den Nuten in Strömungsrichtung zunimmt, wodurch zwangsläufig die Tiefe der Nuten und somit der Wirbelführungen zunimmt. Der Strömungskanal verengt sich dadurch in Strömungsrichtung, was zu einer Druckerhöhung führt.
Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht weiterhin vor, dass stromabwärts der Wirbelführung ein Ansatz angeordnet ist, in dem zunächst eine Erweiterung des Querschnitts des Strömungskanals erfolgt.
Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass stromabwärts der Wirbelführung die Düse angeordnet ist, aus der der Brennstoff über eine durch ein Kreuzstück gebildete Öffnung aus dem Strömungskanal austritt und in eine Verbrennungskammer eintritt. Der Brennstoffstrom wird also zunächst durch die Wirbelführungen im Kanal aufgedreht und gelangt dann in den Bereich der Düse, wo er auf das durch das Kreuzstück gebildete Hindernis trifft. Die Wech- selwirkung mit diesem Hindernis führt zu einer Senkung der Kreiskomponente der Strömungsgeschwindigkeit praktisch gegen Null, was seinerseits ein heftiges lokales Turbulentwerden der Strömung verursacht. Durch die Düse hindurch fließt dann der Brennstoff in die Verbrennungskammer.
Eine besonders bevorzugte konstruktive Ausgestaltung gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht dabei vor, dass die Öffnung, aus der der Brennstoff austritt, durch vier Viertelkreissektoren gebildet ist, zwischen denen jeweils Stege des Kreuzstücks verlaufen.
Die erfindungsgemäße Düse ermöglicht es, die Reynolds-Zahl des Brennstoffstroms am Düsenaustritt stark zu erhöhen, beispielsweise auf das 20- bis 5000-fache.
Die erfindungsgemäße Düsenanordnung ist insbesondere anwendbar zur Einspritzung von flüssigem Brennstoff in eine Verbrennungskammer eines Gasturbinenmotors
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematisch stark vereinfachte Längsschnittdarstellung einer Düse.... gemäß einer beispielhaften Ausführungsvariante der Erfindung;
Figur 2 einen Querschnitt durch die Düse entlang der Schnittlinie 1-1 von Figur 1;
Figur 3 einen Querschnitt durch die Düse entlang der Schnittlinie 2-2 von Figur 1;
Figur 4 einen Querschnitt durch die Düse entlang der Schnittlinie 3-3 von Figur 1 ;
Figur 5 einen Querschnitt durch die Düse entlang der Schnittlinie 4-4 von Figur 1 ;
Nachfolgend wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen. Die Darstellung ist schema- tisch stark vereinfacht und es sind nur die zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung wesentlichen Komponenten dargestellt. Die erfindungsgemäße Düsenanordnung umfasst ein Gehäuse 1 , in dessen Hohlraum ein Strömungskanal 2 für den Brennstoff gebildet ist, den dieser in Richtung auf eine Düse 4 durchströmt mit einer eine Längskomponente aufweisenden Strömung. Entlang des Strömungskanals 2 sind Wirbelführungen 3 vorgese- hen, durch die die Strömung eine Kreiskomponente erhält und quasi aufgedreht wird. Es entsteht demnach eine etwa spiralförmige Strömung. Die Wirbelführungen 3 sind durch Nuten 6 und zwischen diesen Nuten angeordnete radiale Vorsprünge 7 gebildet, die man insbesondere aus den verschiedenen Querschnittdarstellungen gemäß den Figuren 2 bis 4 erkennen kann.
In der Figur 1 ist der Längsschnitt durch das Gehäuse 1 dargestellt, wobei man aus diesem erkennt, dass die Wirbelführungen 3 von der Eingangsseite 8 des Strömungskanals 2 her
gesehen allmählich konisch tiefer werden, dadurch, dass die radiale Ausdehnung der radial nach innen hin vorstehenden Vorsprünge 7 in Strömungsrichtung nach und nach zunimmt und damit die Tiefe der Nuten 6 ebenfalls zunimmt. Die Nuten 6 bilden somit in Strömungsrichtung in der Tiefe allmählich zunehmende spiralförmige Wirbelführungskanäle. Dies kann man auch aus den diversen Querschnittsdarstellungen gemäß den Figuren 2 bis 4 erkennen, die die allmähliche Querschnittsveränderung im Inneren des Strömungskanals 2 in Strömungsrichtung zeigen.
Der aus den Wirbelführungen des Strömungskanals 2 austretende Brennstoff gelangt dann in den Hohlraum 10 des Ansatzes 4, der sich in Strömungsrichtung anschließt, und in dem zunächst eine kurzzeitige Querschnittserweiterung und Entspannung erfolgt. Der Brennstoff prallt dann jedoch gegen die Stege 11 des den Düsenauslass 9 bestimmenden Kreuzstücks 5. Die Wechselwirkung mit diesem Kreuzstück 5 führt zu einer Senkung der Kreiskomponente der Strömungsgeschwindigkeit praktisch gegen Null, wodurch ein heftiges lokales turbu- lent werden des Brennstoffstroms verursacht wird. Aus den durch das Kreuzstück gebildeten vier Öffnungen der Düse 4 strömt dann der Brennstoff in den Strömungsteil einer hier nicht dargestellten Verbrennungskammer, wo dieser vorzugsweise unter zusätzlicher Wirbelung verbrennt. Wie man aus Figur 5 erkennt, haben die Öffnungen 12 zwischen den beiden sich rechtwinklig kreuzenden Stegen 11 des Kreuzstücks 5 jeweils den Umriss von Viertelkreis- Sektoren.
Die Verwendung einer Düsenanordnung der erfindungsgemäßen Bauart erlaubt es, die Rey- nolds-Zahl des Brennstoffstroms am Düsenaistritt auf das 20-5000-fache zu erhöhen, je nachdem, welcher Brennstoffverbrauch und welche Motorlaufverhältnisse gegeben sind. Die Reynoldszahl in der Zone der Nebendüsenflamme kann beispielsweise auf das 8 bis 1000fache erhöht werden, was den Kennwerten einer turbulenten Strömung entspricht.
Bezugszeichen I iste
1 Gehäuse
2 Strömungskanal für den Brennstoff
3 Wirbelführungen 4 Ansatz
5 Kreuzstück
6 Nuten
7 Vorsprünge
8 Eingangsseite 9 Düsenauslass
10 Hohlraum
11 Stege
12 Öffnungen
Claims
1. Düsenanordnung für die Zufuhr eines Brennstoffs zu einer Verbrennungskammer, umfassend ein Gehäuse mit einem Strömungskanal, durch den der Brennstoff in einer mindestens auch eine Längskomponente aufweisenden Strömung in Richtung auf eine
Düse strömt, wobei der Brennstoff im Bereich der Düse durch wenigstens eine durch ein kreuzförmiges Element geformte Öffnung austritt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungskanal (2) mindestens eine Wirbelführung (3) angeordnet ist, die der Strömung innerhalb des Strömungskanals eine Kreis- komponente verleiht.
2. Düsenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelführung (3) wenigstens eine in Längsrichtung des Strömungskanals (2) gesehen spiralförmig verlaufende Nut (6) in der Kanalwandung umfasst.
3. Düsenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelführung (3) wenigstens zwei in Längsrichtung des Strömungskanals (2) gesehen spiralförmig verlaufende Nuten (6) in der Kanalwandung umfasst, zwischen denen jeweils radiale Vorsprünge (7) angeordnet sind.
4. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe wenigstens einer Nut (6) der Wirbelführung (3) in Strömungsrichtung zunimmt.
5. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Wirbelführung (3) ein Ansatz (4) angeordnet ist, in dem zunächst eine Erweiterung des Querschnitts des Strömungskanals erfolgt.
6. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Wirbelführung (3) die Düse (4) angeordnet ist, aus der der Brennstoff über wenigstens eine durch ein Kreuzstück (5) gebildete Öffnung (12) aus dem Strömungskanal (2) austritt und in eine Verbrennungskammer eintritt.
7. Düsenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung, aus der der Brennstoff austritt, durch vier Viertelkreissektoren (12) gebildet ist, zwischen denen jeweils Stege (11) des Kreuzstücks (5) verlaufen.
8. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Wirbelführung wenigstens ein Bauelement (4, 5) angeordnet ist, welches eine starke Senkung der Kreiskomponente der Strömungsgeschwindigkeit herbeiführt.
9. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Einspritzung von flüssigem Brennstoff in eine Verbrennungskammer eines Gasturbinenmotors dient.
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