DE2012941A1 - Liquid fuel injector - Google Patents
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Description
^ ... Parker-Hännifin; Corporation -^ ... Parker-Hännifin ; Corporation -
; ν- Yuleveland (Ohio, USA) . ' - - - ; ν- Yuleveland (Ohio, USA). '- - -
; - : lins^riizdüse für flüssigen Kraftstoff; -: lins ^ riizdüse for liquid fuel
Die Erfindung betrifft Einspritzdüsen" für flüssigen Kraftstoffe ;V VThe invention relates to injection nozzles "for liquid Fuels; V V
: ; : - GasturMnenanlagen, die z.B. als [triebwerke in Flugzeugen verwendet werden,.; besitzen im allgemeinen eine Anzahl von Düsen, die zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff in Form von hohlen Sprühlcegeln in die Brennkammer dienen. Die Abstände zwischen ,einander benachbarten Düsen sind angesichts ihrer Sprühice gel winkel so gewählt, daß in der Brennzone die für einen guten Wirkungsgrad der Verbrennung erwünschteKräftstofxverteilung erzielt wird.. Infolgedessen beeinträchtigt jede"Veränderung der Sprühkegelwinkel die Verteilung des Kraftstoffes, was; zu einer H-erabsetzung des/Wirkungsgrades der Verbrennung führt. : ; : - Gas tower systems, which are used, for example, as engines in aircraft,.; generally have a number of nozzles which serve to inject liquid fuel in the form of hollow spray cones into the combustion chamber. The distances between mutually adjacent nozzles are considering its Sprühice gel angle selected so that in the burning zone which is achieved erwünschteKräftstofxverteilung for a good combustion efficiency .. As a result, affect each "change in the spray cone, the distribution of the fuel, which, to a H- reduction of / the efficiency of the combustion leads.
Es ist bekannt, daß der Sprühkegelwinkel, einer Düse normalerweise nicht konstant ist, weil er sowohl von der Ströraungömenge, (oder dem Druck) abhängig ist, mit dem der Kraftstoff der Düse zugeführt:wird., als auch von den Eigenschaften der ■ Atmosphäre, in welche der Sprühnebel abgegeben wird. Im allgemeinen nimmt der Spruhkegelwinkel ab, wenn der Kraftstoff in einer größeren Strömungsmenge in eine konstante Atmosphäre abgegeben wird. Bei einer konstanten Strömungsmenge;des durch die Düse tretenden Kraftstoffs nimmt der Sprühkegelwinkel ab, wenn die Dichte der-'-Atmosphäre"zunimmt, in welche der-Sprühnebel abgegeben wird." '"v"" \ ."_■■ -', - -- ' ■"'■■- '.."-"-·" ■"-■". --,"■" ,It is known that the spray cone angle of a nozzle is normally not constant because it depends both on the flow rate (or the pressure) with which the fuel is supplied to the nozzle, and on the properties of the atmosphere, in which the spray mist is released. In general, the spray cone angle decreases as the fuel is discharged in a larger flow rate into a constant atmosphere. With a constant flow rate of fuel passing through the nozzle, the spray cone angle decreases as the density of the atmosphere "into which the spray is emitted" increases. '" v ""\." _ ■■ -', - - ' ■ "' ■■ - '.." - "- ·" ■ "- ■". -, "■",
-: In einer typischen .Gasturbinenanlage hat die Atmo- Sphäre, in weiche der Sprühnebel abgegeben wird, "d.h. die Brennzone der Anlage, eine relativ niedrige Dichte, wenn die Anlage bei relativ kleinen Strömungsmen-i'en des durch die Düse tretenden Kraftstoffs anläuft. Dagegen steigt diese Dichte auf einen hohen Wert, wenn' die Anlage bei großen Strömungsmengen des Kraftstoffes- : In a typical gas turbine system, the atmosphere into which the spray mist is released, ie the combustion zone of the system, has a relatively low density when the system starts up with relatively small flow rates of the fuel passing through the nozzle On the other hand, this density rises to a high value when the system is operated with large flow quantities of the fuel
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mit der Höchstdrehzahl läuft. Der zuletzt angegebene Zustand kann der Einstellung .der Anlage auf ihre Höchstleistung entsprechen, und z.jj. beim Start eines Flugzeuges eintreten. Infolgedessen ist bei einer Einstellung der Anlage auf die riöchstleistung der Sprühtegelwinkel kleiner als beim Anlaufen der Anlage oder beim Betrieb derseloen mit niedrigen Drehzahlen und kleinen Kraftstoff-otrömungsmengen, weil dann die Dichte der Brennzone niedriger isc. Dieser kleinere Sprunkegelwinkel bei einer dichten Atmosphäre und einer großen Strömungsmenge des Kraftstoffes kann den Wirkungsgrad der Verbrennung so beeinträchtigen, daß das Abgas der Anlage Rauch enthält. In anderen Fällen kann die Gastemper-rtur am Austritt der Brennkammer eine Veränderung erfahren, die angesichts der Bedingungen am Eintritt der Turbine unzulässig ist.runs at maximum speed. The last specified state can correspond to the setting of the system to its maximum output, and z.jj. occur when an aircraft takes off. Consequently is when the system is set to the maximum output of the Spray cone angle smaller than when starting the system or when Operation of the seloen at low speeds and small amounts of fuel flow, because then the density of the burn zone is lower. This smaller sprinkle cone angle at a dense one Atmosphere and a large flow rate of the fuel can affect the combustion efficiency so that the exhaust gas the plant contains smoke. In other cases, the gas temperature experience a change at the exit of the combustion chamber, which is inadmissible in view of the conditions at the inlet of the turbine.
Die Erfindung schafft eine für eine Gasturbinenanlage oder dergleichen bestimmte Rise zum Versprühen von flüssigem Kraftstoff, mit einer Düsenkörperanordnung, die in ihrem Innern einen Kanal für flüssigen Kraftstoff bildet, und die eine Austrittsöffnung besitzt, durch die der Kraftstoff in Form eines hohlen Sprühkegels abgegeben wird, sowie einen Luftkanal mit einer ringförmigen Austrittsöffnung, welche die Kraftstoff-Austrittsöffnung konzentrisch umgibt und aus der luft in ?orm eines sich frei ausdehnenden Hohlkegels abgegeben wird, so daß der Kraftstoff-Sprühkegel von einer konischen Hülle umgeben ist, die unter niedrigem statischen Druck steht, und dadurch auch bei Änderungen der Strömungsmenge des Kraftstoffes und des Umgebungsdrucks in dem die Düse umgebenden Raum der Sprühkegelwinkel des Kraftstoffs im wesentlichen konstantgehalten wird.The invention creates a rise intended for a gas turbine system or the like for spraying liquid fuel, with a nozzle body assembly that has a Forms channel for liquid fuel, and which has an outlet opening through which the fuel in the form of a hollow Spray cone is delivered, as well as an air channel with an annular Outlet opening, which is the fuel outlet opening concentrically surrounds and emerges from the air in the form of a freely expanding Hollow cone is discharged, so that the fuel spray cone is surrounded by a conical shell, which is under low static pressure, and therefore also with changes the flow rate of the fuel and the ambient pressure in the space surrounding the nozzle, the spray cone angle of the fuel is kept substantially constant.
nachstehend werden zwei ^usführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüsen anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. In dieser zeigtbelow are two ^ embodiments of the invention Fuel injectors described with reference to the accompanying drawing. In this shows
Fig. 1 im Schnitt einen Teil der Düse nach dem ersten AUüführungsbeispiel,1 shows a section of part of the nozzle according to the first embodiment,
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Pig. 2 einen Querschnitt nach der linie 2-2 in Pig* IPig. 2 shows a cross section along line 2-2 in Pig * I
Pig. 3 im Schnitt einen Teil der Düse nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. · ■Pig. 3 in section a part of the nozzle after the second Embodiment. · ■
Die in Pig* 1 und 2 gezeigte Düse 1 ist eine Simplex-■L)üse, d.h. eine Düse, deren Düsenkörper 2 eine einzige Kraftstoff-Austrittsöffnung 3 besitzt, die in der Mitte einer Wirbelkammer A angeordnet ist. In die Wirbelkammer 4 wird Kraftstoff durch tangential oder schräg angeordnete ^rallkanäle oder Schlitze 5 in dem Drallstöpsel 6 eingeleitet. Infolge des dem einströmenden Kraftstoff erteilten dralls hat der aus der Öffnung 3 austretende Kraftstoff eine tangential© und eine axiale Gesöhwindigkeitskomponente und wird er daher in Porm eines hohlen Sprühkegels 7 abgegeben, der in Krafts toff tropf ctien...zerfällt, welche die für einen hohen- Wirkungsgrad der Verbrennung erwünschte Größe haben.The nozzle 1 shown in Pig * 1 and 2 is a simplex nozzle, ie a nozzle whose nozzle body 2 has a single fuel outlet opening 3 which is arranged in the center of a swirl chamber A. Fuel is introduced into the swirl chamber 4 through tangential or inclined swirl channels or slots 5 in the swirl plug 6. As a result of the swirl imparted to the inflowing fuel, the fuel exiting the opening 3 has a tangential © and an axial velocity component and is therefore released in the form of a hollow spray cone 7, which breaks down in fuel drops ... - Combustion efficiency have the desired size.
Der Sprühkegel 7 trachtet,-die Luft zu beschleunigen und mitzureißen, so daß innerhalb des Sprühkegels 7 ein Bereich vorhanden ist, in dem der statische Luftdruck niedriger ist als in dem den Sprühkegel umgebenden Bereich.The spray cone 7 seeks to accelerate the air and entrain, so that within the spray cone 7 an area in which the static air pressure is lower than in the area surrounding the spray cone.
Der Düsenkörper 2 ist von einem Mantel 8 umgeben, der einen Luftzüfuhrkanal 9 begrenzt, dem Luft von der Anlage selbst angeführt wird. Der Kanal 9 besitzt tangentiale Luftleitstrecken 10, welche die Luft einwärts zu der Öffnung 3 hin ablenken, so daß die Luft von einer Luftaustrittsöffnung 11 in "..Form eines sieh frei ausdehnenden, hohlen, hyperboloiden Stromes abgegeben wird, der die Öffnung 3 konzentrisch umgibt, dieser Luftstrom hat allgemein die Form eines Hohlkegels, der einen größeren Segelwinkel hat als der Sprühkegel 7,The nozzle body 2 is surrounded by a jacket 8 which delimits an air supply duct 9 to which air is fed from the system itself. The channel 9 has tangential air ducts 10 which deflect the air inwardly towards the opening 3, so that the air is discharged from an air outlet opening 11 in the form of a freely expanding, hollow, hyperboloid flow which concentrically surrounds the opening 3 , this air flow generally has the shape of a hollow cone, which has a larger sail angle than the spray cone 7,
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Die Luftleitstrecken 10 führen einen beträchtlichen Teil der für die Verbrennung erforderlichen luft, beispielsweise 1/4 der für die Verbrennung erforderlichen luft. Die Luftleitstrecken 10 sind ferner so eingerichtet, daß sie zur Bildung eines allgemein konischen, schnell strömenden und sich frei ausdehnenden Luftstroms führen, wobei der Kegelwinkel des Kegels stets größer ist als der Kegelwinkel des Sprühkegels 7» 30 daß der Kegel 12 den öprühkegel 7 stets umgibt, Infolge des Luftstroms ist ein Bereich 14 mit niedrigem-statischem Druck vorhanden. In uiesem Bereich ist der absolute Druck niedriger als der Druck, der auf das Hitreißen von Luft durch den Sprühkegel zurückzuführen wäre. Infolgedessen wird ein radialer Druckgradient erzeugt, welcher die entgegengesetzte Wirkung hat wie das Hitreißen der Luft, und trachtet, die i^lüssigkeits tropf ehe η in aer zu dem Bereich 14 führenden Bahn zu halten.The air ducts 10 lead a considerable Part of the air required for combustion, for example 1/4 of the air required for combustion. The air ducts 10 are also adapted to form a generally conical, fast flowing and freely expanding Lead air flow, the cone angle of the cone is always greater than the cone angle of the spray cone 7 »30 that the cone 12 always surrounds the spray cone 7, as a result of the air flow there is a region 14 of low static pressure. In this range the absolute pressure is lower than the pressure applied to air being torn through the spray cone would be due. As a result, there is a radial pressure gradient produced, which has the opposite effect as the tearing of the air, and seeks to drop the liquid before η keep in the lane leading to area 14.
Wenn eine Gasturbine mit der Höchstleistung arbeitet, kann das Verhältnis des Druckes in der !Brennkammer zu dem l'urbinen-Lufteintritt^druck bis zu 25:1 oder 30:1 betragen, so daß die zum Erzeugen des Kegels 12 zur Verfügung stehende Luftdruckdifferenz zu viel höheren Luftgeschwindigkeiten führt als sie bei Kraftstoff-Sprühkegeln bei den normalerweise verwendeten Kraftstoffdrücken erhalten werden können, uer beobachtete Winkel des Kraftstoff-Sprühkegels bleibt daher· annähernd konstant, so daß die vorstehend beschriebenen, nachteiligen Wirkungen gemildert werden.When a gas turbine is working at maximum power, can be the ratio of the pressure in the combustion chamber to the turbine air inlet pressure up to 25: 1 or 30: 1, so that the air pressure difference available for generating the cone 12 is available leads to much higher air velocities than at Fuel spray cones at the fuel pressures normally used can be obtained, the observed angle of the fuel spray cone therefore remains approximately constant, so that the adverse effects described above can be mitigated.
Die Kraftatoff-Austrittsöffnung 3 i3t von einem vorstehenden üingrand 15 umgeben, der eine Störung des aus der Öffnung 3 austretenden Kraftstoffstroms durch den aus den Luftleitstrecken 10 austretenden Luftstrom verhindert und sich stets außerhalb der Umhüllenden des Sprühkegels 7 befindet. Der vorstehende RcJiä 15 führt ferner zur Bildung eines unter niedrigem statischen Luftdruck stehenden Bereichs, in dem der Kraftstoff aus der Austrittsöffnung 3 austritt. Dadurch wird das Hitreißen von Luft durch den Sprühkegel 7 auf ein Minimum reduziert.The fuel outlet opening 3 i3t from a protruding one üingrand 15 surrounded, which a disturbance of the exiting from the opening 3 fuel flow by the air ducts 10 prevents escaping air flow and is always outside the envelope of the spray cone 7. The foregoing RcJiä 15 also leads to the formation of a sub-low static air pressure standing area in which the fuel emerges from the outlet opening 3. This makes the hit tear of air through the spray cone 7 is reduced to a minimum.
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. Gemäß Jig. 3 ist die zweite Düse 20 eine Düse mit zwei Austri ttsöf f nungen. Sie besitzt 'einen Primär-Kraf tstof f eintrjLttskanal 21 und primäre Drallkanäle oder Schlitze 22 in einem Drallstöpsel 23, so daß dem in eine Wirte!kammer 24 eintretenden Kraftstoff ein Drall erteilt wird. Dieser Kraftstoff tritt aus einer Primär—Austrittsöffnung 25 in Form eines hohlen Sprühkegels 26 mit einem gewünschten Kegelwinkel aus. Die Düse 20 hat ferner einen Sekundär-Kraftstoffeintrittskanal 27, von dem aus Sekundär-Kraftstoff durch Drallkanäle oder Schlitze 28 in.einer Wirbelpi.atte 29 strömt und daher in einer Wirbelkammer 30 einen Drall erhält. Aus der Wirbelkammer 30 tritt der Kraftstoff durch eine Sekundär ■>-Austrittsöffnung 31 ebenfalls'in Form eines Sprühkegels 26 aus. ; V - ■ " - ; ■. According to Jig. 3, the second nozzle 20 is a two nozzle Exit openings. It has a primary fuel inlet channel 21 and primary swirl channels or slots 22 in a swirl plug 23, so that the chamber 24 entering a host Fuel is given a swirl. This fuel is leaking out a primary outlet opening 25 in the form of a hollow spray cone 26 with a desired taper angle. The nozzle 20 also has a secondary fuel inlet channel 27, from which secondary fuel through swirl channels or slits 28 in. in a vertebral plate 29 flows and therefore receives a swirl in a vortex chamber 30. From the swirl chamber 30, the fuel passes through a Secondary outlet opening 31 also in the form of a spray cone 26 off. ; V - ■ "-; ■
Bin Sekundärkörper 32 und eine Mutter 33 bilden zusam-. men einen ersten Luftkanal: 34, der tangential angeordnete Luftleitstreeken 35 besitzt, welche die durch die Löcher 36 eintretende Luft verwirbeln, aber nicht zur Bildung eines einheitlichen Wirbels führen. Infolgedessen wird die Luft in iOrm eines allgemein hohlen Hyperboloids oder Kegels 37 abgegeben, dessen Scheitel- bzw. Kegelwinkel größer ist als der Kegelv/inkel des Sprühkegels 26. Ferner ist die Mutter 33 von einem Mantel 38 umgeben, der einen Lufteintritt 39 und zusammen mit der Mutter 33 einen zweiten Luftkanal 40 bildet, an den Luftleitstrecken 41 anschließen, die denselben Drehsinn haben wie die Strecken 35 und die Luft in Form eines zweiten, allgemein hohlen Hyperboloids oder Kegels 42 abgeben, dessen Scheitel- bzw. Kegelwinkel vorzugsweise annähernd ebenso groß ist wie der des Innenkegels 37. Außer dem zweiten Luftkanal 40 besitzt der Mantel 38 eine Heihe von Umfangskanälen 43, die Luft in Form eines dritten, allgemeinhohlen Kegels 44 abgeben. ' : A secondary body 32 and a nut 33 together form. Men a first air channel: 34, which has tangentially arranged air guide lines 35, which swirl the air entering through the holes 36, but do not lead to the formation of a uniform vortex. As a result, the air is discharged in the iOrm of a generally hollow hyperboloid or cone 37, the apex or cone angle of which is greater than the cone angle of the spray cone 26. Furthermore, the nut 33 is surrounded by a jacket 38 which has an air inlet 39 and together with the nut 33 forms a second air duct 40, connected to the air guide sections 41, which have the same direction of rotation as the sections 35 and release the air in the form of a second, generally hollow hyperboloid or cone 42, the apex or cone angle of which is preferably approximately the same like that of the inner cone 37. In addition to the second air duct 40, the jacket 38 has a number of circumferential ducts 43 which emit air in the form of a third, generally hollow cone 44. ' :
Es 'ist natürlich bekannt, übliche Düsen, die eine oder zwei Austrittsöffnungen besitzen, mit Luftführungsmänteln zu umgeben und der durch diese Mäntel tretenden Luft gegebenenfalls einen Drall zu erteilen. Dabei strömt jedoch die Luft vorzugsweise radial einwärts zu dem Mittelpunkt hin, damit eine Kohlenstoff ablagerung an der Spitze der Düse vermieden wird. Da die Luft radial'einwärtsströmt, wird sie in der axialen RichtungIt 'is of course known common nozzles, the one or have two outlet openings to be surrounded with air guiding jackets and the air passing through these jackets, if any to give a twist. In doing so, however, the air preferably flows radially inwards towards the center point, so that there is a carbon deposits at the tip of the nozzle are avoided. Since the Air flows radially inwards, it becomes in the axial direction
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abgegeben, so daß kein konischer Strom erzeugt wird, der zur Bildung eines den Kraftstoff-Sprühkegels umgebenden Bereichs niedrigen statischen Druckes führt, ^ei diesen bekannten Mänteln ist die verwendete Luftmenge gegenüber der für die Verbrennung des Kraftstoffs erforderlichen Luftmenge unbedeutend. iCrfindungsgemäß macht die durch die Luftkanäle geführte Luftmen.;e. einen großen Teil der für die Verbrennung erforderlichen Luftmenge aus, so daß ein schnell strömender Luftstrom in Form eines hohlen Hyperboloids oder Hohlkegels erzeugt wird.discharged so that no conical flow is generated, which leads to the formation of a region of low static pressure surrounding the fuel spray cone, as is the case with these known jackets the amount of air used is insignificant compared to the amount of air required for the combustion of the fuel. iCr according to the invention makes the air flow through the air ducts.; e. a large part of the amount of air required for combustion, so that a fast-flowing air stream in the form of a hollow hyperboloid or hollow cone is generated.
Wie die erste Jüse hat auch die zweite Düse vorstehende Ränder 45 und 46, die zur Bildung von Bereichen mit einem niedrigen statischen Luftdruck führen, so daß das Mitreißen von Luft in dem Sprühkegel 26 auf ein Minimum reduziert wird.Like the first nozzle, the second nozzle also has protruding ones Edges 45 and 46 used to form areas with a low lead static air pressure so that the entrainment of air in the spray cone 26 is reduced to a minimum.
Bei beiden Düsen i:ann Jich die Luft frei ausdehnen und ist sie nicht auf die für einen Wirbel typische Kreisbahn beschränkt, was dazu führen würde, daß die Geschwindigkeit der Luft dem radialen Abstand von der Achse umgekehrt proportional ist. Die Luft strömt um aie Kraftstoffdüse herum einwärts und danach in allgemein konischer Form auswärts, ohne die geometrische Form des liraftstoff-Sprühkegels zu beeinflussen. Angesichts der beträchtlichen ütrömungs:;ienge der schnell strömenden Luft sollen die Querschnittsflächen der ringförmigen Luft-^ustrittsöffnungen um ein Mehrfaches größer sein als die Querschnittsflächen der Kraftstoff-Austrintsöffnungen. In beiden beschriebenen Düsen ist das Verhältnis des Luftaustrittsquerschnitts zu dem Querschnitt der Kraftstoi'f-Austrittsöffnung größer als 10:1.With both nozzles i: ann Jich freely expand the air and it is not limited to the circular orbit typical of a vortex, which would lead to the speed of the air is inversely proportional to the radial distance from the axis. The air flows in and around the fuel nozzle in a generally conical shape outwards, devoid of the geometric shape to influence the fuel spray cone. Given the considerable ütrömungs: ienge the fast flowing air should the cross-sectional areas of the annular air outlet openings be several times larger than the cross-sectional areas of the fuel outlet openings. In both nozzles described is the ratio of the air outlet cross section to the cross section of the fuel outlet opening is greater than 10: 1.
Im Rahmen des iSrfindungsgedankens sind Abänderungen der Ausführungsbeispiele möglich.Changes are within the scope of the concept of the invention of the embodiments possible.
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0098A2/11570098A2 / 1157
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