DE102020204849A1 - Swirl nozzle with outer guide groove - Google Patents

Abstract

Durch die Verwendung von Führungsrillen in der äußeren Oberfläche einer Dralldüse gelingt es, die Erosion zu verringern, da Teilchen gezielt ausgeleitet werden.By using guide grooves in the outer surface of a swirl nozzle, it is possible to reduce erosion, as particles are directed out in a targeted manner.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dralldüse mit äußeren Führungsrillen.The invention relates to a swirl nozzle with outer guide grooves.

Dralldüsen, wie sie bei Gasturbinen im Öl-Diffusions-Betrieb eingesetzt werden, zeigen bei längerem Betrieb Erosionsbefunde.Swirl nozzles, such as those used in gas turbines in oil diffusion operation, show signs of erosion during prolonged operation.

In einer Dralldüse wird ein Fluid tangential in eine Drallkammer eingespritzt. Das Fluid zirkuliert in der Drallkammer und verlässt sie über eine konisch zulaufende Fläche zum Auslass. Partikel, die schwerer als das Öl sind, bleiben bedingt durch die Zentrifugalkraft auf einem größeren Durchmesser.In a swirl nozzle, a fluid is injected tangentially into a swirl chamber. The fluid circulates in the swirl chamber and leaves it via a conical surface to the outlet. Particles that are heavier than the oil remain on a larger diameter due to the centrifugal force.

Abhängig vom Betriebspunkt stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Strömungskräften und Trägheitskräften bei Partikeln in der Drallkammer ein. Solange dieser Betriebspunkt gehalten wird, zirkulieren die Partikel auf einer Kreisbahn und verursachen die Erosion, üblicherweise im Bereich der tangentialen Einlassöffnungen oder im mittleren Bereich des Konus.Depending on the operating point, there is an equilibrium between flow forces and inertial forces in the case of particles in the swirl chamber. As long as this operating point is maintained, the particles circulate on a circular path and cause erosion, usually in the area of the tangential inlet openings or in the central area of the cone.

Diese Erosion wird bei Inspektion per Videoskop bewertet. Bei zu tiefem Verschleiß muss die Düse getauscht werden. In einigen Fällen ist die Erosion so stark, dass der Betrieb der Maschine eingeschränkt wird und z.B. alle 4.000 EOH Düsen getauscht werden müssen. Bei stärkerer Erosion (>1mm) ändert sich das Düsenvolumen und der Sprühkegel. Dadurch kann es zu Problemen in der Verbrennung kommen. Im schlimmsten Fall kann Brennstoff unkontrolliert in die Brennkammer gespritzt werden, was zu einem Zwangsstillstand der Maschine führen kann.This erosion is assessed on inspection by videoscope. If the wear is too low, the nozzle must be replaced. In some cases, the erosion is so severe that the operation of the machine is restricted and, for example, all 4,000 EOH nozzles have to be replaced. With greater erosion (> 1mm) the nozzle volume and the spray cone change. This can lead to combustion problems. In the worst case, fuel can be injected into the combustion chamber in an uncontrolled manner, which can lead to a forced standstill of the machine.

Eine Alternative wäre das Härten der Düse, durch z.B. Nitrieren oder die Verwendung eines härteren Materials. Aber die Nitrierhärtetiefen liegen bei 0,1-0,2mm und damit Faktor 10 niedriger als der typische Verschleiß. Damit ist die härtere Schicht schnell durchdrungen und der Verschleiß ginge ungehindert weiter.An alternative would be hardening the nozzle, for example by nitriding or using a harder material. But the nitriding hardness depths are 0.1-0.2mm and thus a factor 10 lower than typical wear. This means that the harder layer is quickly penetrated and wear would continue unhindered.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore the object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Dralldüse gemäß Anspruch 1.The object is achieved by a swirl nozzle according to claim 1.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.The subclaims list further advantageous measures which can be combined with one another as required in order to achieve further advantages.

Durch die Zentrifugalkraft werden Partikel in der Drallkammer an die Außenfläche gedrückt. Die Trägheit sorgt dafür, dass sie auf dem größten Durchmesser bleiben und sich nicht die konische Fläche Richtung Auslass bewegen. Dem gegenüber stehen Strömungskräfte, die das Öl Richtung Auslass befördern. Im stationären Zustand (Grundlastbetrieb) stellt sich für das Partikel ein Gleichgewicht aus Trägheits- und Strömungskräften ein, wodurch sich die Partikel in die Außenfläche einarbeiten, da sie häufig die gleiche Stelle passieren.Due to the centrifugal force, particles in the swirl chamber are pressed against the outer surface. The inertia ensures that they stay on the largest diameter and do not move the conical surface towards the outlet. On the other hand, there are flow forces that push the oil towards the outlet. In the steady state (base load operation), the particles are in equilibrium between inertia and flow forces, which means that the particles work their way into the outer surface, as they often pass the same point.

Eine spiralförmige Führungsrille in der äußeren Fläche im Inneren der Düse sorgt dafür, dass dieses Gleichgewicht der Kräfte gestört wird und die Partikel Richtung Auslass gefördert werden. Sie passieren eine Stelle in der Düse nur ein mal.A spiral-shaped guide groove in the outer surface inside the nozzle ensures that this balance of forces is disturbed and the particles are conveyed towards the outlet. They pass a point in the nozzle only once.

Die Kontur, Breite, Tiefe, Start- und Endpunkt der Führungsrille sind abhängig vom verwendetem Fluid, Geometrie der Düse, erwarteter Größe der Erosionspartikel usw. Führungsrillen sorgen dafür, dass Partikel innerhalb von kürzester Zeit aus der Düse befördert werden.The contour, width, depth, start and end point of the guide groove depend on the fluid used, the geometry of the nozzle, the expected size of the erosion particles, etc. Guide grooves ensure that particles are conveyed out of the nozzle within a very short time.

Die 1 zeigt eine Düse aus dem Stand der Technik, wohingegen 2 bis 6 Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen.the 1 shows a prior art nozzle, whereas 2 until 6th Represent embodiments of the invention.

In 1 ist eine Dralldüse 1` dargestellt, wie sie aus der EP 0 604 741 A2 bekannt ist.In 1 a swirl nozzle 1 'is shown as it comes from the EP 0 604 741 A2 is known.

Die Dralldrüse 1` zeigt einen Außenkörper 10, von dessen Außenseite 12 ausgehend sich eine vorzugsweise als zylindrische Bohrung ausgebildete Düsenaustrittsöffnung 14 in ein Inneres des Außenkörpers 10 hinein erstreckt.The swirl gland 1 'shows an outer body 10 , from its outside 12th starting from a nozzle outlet opening preferably designed as a cylindrical bore 14th into an interior of the outer body 10 extends into it.

An diese Düsenaustrittsöffnung 14 schließt sich eine im Wesentlichen kegelförmig ausgebildete Ausnehmung 16 an, deren Wandflächen die Mantelflachen eines koaxial zur Düsenaustrittsöffnung 14 angeordneten und zu einer Mittelachse 20 rotationssymmetrischen Kegelstumpfes bilden.At this nozzle outlet opening 14th closes a substantially conical recess 16 whose wall surfaces are the lateral surfaces of a coaxial to the nozzle outlet opening 14th arranged and to a central axis 20th Form rotationally symmetrical truncated cone.

In dieser Ausnehmung 16 ist ein Innenkörper 22 insbesondere eingesetzt, welcher einen unteren kreiszylindrischen Bereich 24 aufweist, an welchen sich ein insbesondere kegelstumpfförmiger Bereich 26 anschließt, dessen Grundfläche 28 mit der Kreisfläche identisch ist. Dieser kegelstumpfförmige Bereich 26 ist so ausgebildet, dass Mantelflächen 30 desselben Abschnitts des Kegelmantels sind, auf welchem auch die Wandflächen 18 der Ausnehmung 16 liegen. Somit ist der Innenkörper 22 durch einen Kegelsitz formschlüssig in der Ausnehmung 16 gehalten, wobei der Bereich der Wandflächen 18 der Ausnehmung 16, in welchem die Mantelflächen 30 des kegelstumpfförmigen Bereichs 26 des Innenkörpers 22 anliegen, als Kegelsitzflachen 32 der Ausnehmung 16 bezeichnet sind.In this recess 16 is an inner body 22nd used in particular, which has a lower circular cylindrical area 24 has, on which a particular frustoconical area 26th adjoins its base 28 is identical to the circular area. This frustoconical area 26th is designed so that lateral surfaces 30th of the same section of the cone jacket on which the wall surfaces are 18th the recess 16 lie. Thus is the inner body 22nd form-fitting in the recess by means of a conical seat 16 kept, the area of the wall surfaces 18th the recess 16 , in which the outer surfaces 30th of the frustoconical area 26th of the inner body 22nd fit, as conical seat surfaces 32 the recess 16 are designated.

Eine der Grundfläche 28 gegenüberliegende und parallel zu dieser ausgerichteten Fläche des kegelstumpfförmigen Bereichs 26 des Innenkörpers 22 erstreckt sich senkrecht zur Mittelachse 20 und bildet einen Drallkammerboden 34.One of the base 28 opposite and parallel to this aligned surface of the frustoconical area 26th of the inner body 22nd extends perpendicular to the central axis 20th and forms a swirl chamber floor 34 .

Ein über diesem Drallkammerboden 34 liegender Bereich der Ausnehmung 16 wird als Drallkammer 36 bezeichnet, wobei die die Drallkammer 36 begrenzenden Wandflächen 18 der Ausnehmung 16 als Drallkammerwände 38 bezeichnet sind.One above this swirl chamber floor 34 lying area of the recess 16 is called a swirl chamber 36 referred to, where the swirl chamber 36 delimiting wall surfaces 18th the recess 16 as swirl chamber walls 38 are designated.

Ein von der Ausnehmung 16 umschlossener und auf einer der Drallkammer 36 gegenüberliegenden Seite des Innenkörpers 22 angeordneter Raum wird als Druckraum 40 bezeichnet, in welchem die zum Zerstäuben vorgesehene Flüssigkeit unter Druck gehalten ist.
Von diesem Druckraum 40 führen mehrere Drallkanäle 42 in die Drallkammer 36, wobei diese Drallkanäle 42 vorzugsweise als Einkerbungen in den Mantelflächen 30 ausgebildet sind, die in den Druckraum 40 mit einem rechteckigen und ungefähr quadratischen Querschnitt im kreiszylindrischen Bereich 24 des Innenkörpers 22 münden und in der Drallkammer 36 im Bereich des Drallkammerbodens 34 und vorzugsweise in einem bezüglich der Mittelachse 20 radial außen liegenden Bereich münden.
Eine Mittellinie jedes Drallkanals 42, zumindest im Bereich einer Mündungsöffnung 46 desselben, im Drallkammerboden 34 weist einen Abstand e von der Mittelachse 20 aufweist und somit aus der Mündungsöffnung 46 ein Flüssigkeitsstrahl austritt, welcher bei Verlassen der Mündungsöffnung 46 in einer zur Mittelachse 20 parallelen und im Abstand e von dieser verlaufenden Ebene liegt und dabei eine Geschwindigkeitskomponente parallel zum Drallkammerboden 34 aufweist sowie eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Mittelachse 20. Der Abstand e wird allgemein als Exzentrizität e der Dralldüse bezeichnet.
Somit entsteht in der Drallkammer 36 ein Flüssigkeitswirbel um die Mittelachse 20, in dessen Mitte ein zylinderähnlicher koaxial zur Mittelachse 20 stehender Luftkern stehen bleibt, um welchen der Flüssigkeitswirbel herumströmt, so dass aus der Düsenaustrittsöffnung 14 schließlich ein Flüssigkeitsfilmkegel 60 austritt, der von seiner eigenen Instabilität in kleine Flüssigkeitströpfchen zerfällt.One from the recess 16 enclosed and on one of the swirl chambers 36 opposite side of the inner body 22nd arranged space is called pressure space 40 denotes in which the liquid intended for atomization is kept under pressure.
From this pressure room 40 lead several swirl channels 42 into the swirl chamber 36 , with these swirl channels 42 preferably as notches in the lateral surfaces 30th are formed in the pressure chamber 40 with a rectangular and approximately square cross-section in the circular cylindrical area 24 of the inner body 22nd open and in the swirl chamber 36 in the area of the swirl chamber floor 34 and preferably in one with respect to the central axis 20th open radially outer area.
A center line of each swirl channel 42 , at least in the area of a mouth opening 46 same, in the swirl chamber floor 34 has a distance e from the central axis 20th has and thus from the mouth opening 46 a jet of liquid emerges, which upon leaving the mouth opening 46 in one to the central axis 20th parallel and at a distance e from this extending plane and thereby a speed component parallel to the swirl chamber floor 34 and a speed component parallel to the central axis 20th . The distance e is generally referred to as the eccentricity e of the swirl nozzle.
This creates in the swirl chamber 36 a fluid vortex around the central axis 20th , in the middle of which a cylinder-like one coaxial to the central axis 20th standing air core remains, around which the fluid vortex flows, so that from the nozzle outlet opening 14th finally a liquid film cone 60 which breaks down into small liquid droplets due to its own instability.

Vorzugsweise weist der Verdrängungskörper 62 keine kegelförmige Spitze auf, sondern einen auf dem zylindrischen Sockel 64 sitzenden Kegelstumpf 88 mit einer dessen Grundfläche 68 gegenüberliegenden und zu dem Drallkammerboden 34 parallelen Frontfläche 90, welche in der Drallkammer 36 liegt und einen Durchmesser aufweist, der größer ist als ein Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung 14. Somit erstreckt sich der Verdrängungskörper 62 nicht über die gesamte Höhe der Drallkammer 36 von dem Drallkammerboden 34 bis zu einem Übergang 92 der Drallkammerwände 38 in die Düsenaustrittsöffnung 14, sondern endet mit der Frontfläche 90 im Abstand von diesem.The displacement body preferably has 62 does not have a conical tip, but one on the cylindrical base 64 seated truncated cone 88 with one of its base 68 opposite and to the swirl chamber floor 34 parallel front surface 90 , which in the swirl chamber 36 and has a diameter which is greater than a diameter of the nozzle outlet opening 14th . The displacement body thus extends 62 not over the entire height of the swirl chamber 36 from the swirl chamber floor 34 until a transition 92 the swirl chamber walls 38 into the nozzle outlet opening 14th but ends with the front face 90 at a distance from this.

Die Frontfläche 90 kann auch kegelförmig ausgebildet oder jede andere Form aufweisen.The front surface 90 can also be conical or have any other shape.

2 zeigt ausgehend von 1 eine erfindungsgemäße Dralldüse 1, bei der auf der Drallkammerwand 38 zumindest eine Führungsrille 100 vorhanden ist. Vorzugsweise ist nur eine Führungsrille 100 vorhanden. 2 shows starting from 1 a swirl nozzle according to the invention 1 , at the one on the swirl chamber wall 38 at least one guide groove 100 is available. There is preferably only one guide groove 100 available.

Die Führungsrille 100 beginnt vorzugsweise an der Mündungsöffnung 46 eines Drallkanals, kann aber auch woanders beginnen, da Partikel auf Ihrer Kreisbahn zwangsläufig auf eine Führungsrille treffen werden.The guide groove 100 preferably starts at the mouth 46 of a swirl channel, but can also start elsewhere, since particles on their circular path will inevitably hit a guide groove.

Die Führungsrille 100 verläuft durchgehend und spiralförmig bis zum Übergang 92.The guide groove 100 runs continuously and spirally up to the transition 92 .

Die Führungsrille 10 kann sich vorzugsweise auch bis zur Düsenaustrittsöffnung 14 erstrecken.The guide groove 10 can preferably also extend to the nozzle outlet opening 14th extend.

In 3 bis 6 sind verschiedene Konturen für die Führungsrille 101 bis 104 offenbart. Dies kann eine echteckige Vertiefung 101, 102 (3, 4) sein, die je nach Parametern verschieden tief ausgeführt ist. In 3 until 6th are different contours for the guide groove 101 until 104 disclosed. This can be a square indentation 101 , 102 ( 3 , 4th ), which has different depths depending on the parameters.

Ebenso können ovale oder kreisförmige Vertiefungen 103 (5 vorhanden sein, wobei auch dreieckförmige Vertiefungen 104 möglich sind (6).Likewise, oval or circular depressions can be used 103 ( 5 be present, including triangular depressions 104 possible are ( 6th ).

Die Düse 1 weist vorzugsweise einen Chrom-Molybdän Stahl auf.The nozzle 1 preferably has a chromium-molybdenum steel.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

• EP 0604741 A2 [0014]EP 0604741 A2 [0014]

Claims (8)

Dralldüse (1) zum Zerstäuben einer Flüssigkeit mit einer sich über einem Drallkammerboden (34) erhebenden und zu einem Drallkammerboden (34) gegenüberliegenden Düsenaustrittsöffnung (14) hin verjüngenden Drallkammer (36), wobei die Dralldüse (1) einen Außenkörper (10) aufweist, welcher die Düsenaustrittsöffnung (14) eine sich an die anschließende, sich längs der Mittelachse erstreckende sowie mit zunehmender Streckung einen größeren Querschnitt aufweisende Ausnehmung (16) umfasst und wobei die die Drallkammer (36) begrenzenden Wandflächen der Ausnehmung (16) als Drallkammerwände (38) bezeichnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallkammerwand (38) zumindest eine Führungsrille (100, 101, 102, 103, 104) aufweist, insbesondere nur eine Führungsrille (100, 101, 102, 103, 104) aufweist.Swirl nozzle (1) for atomizing a liquid with a swirl chamber (36) rising above a swirl chamber bottom (34) and tapering towards a swirl chamber bottom (34) opposite nozzle outlet opening (14), the swirl nozzle (1) having an outer body (10), which the nozzle outlet opening (14) comprises a recess (16) which adjoins the adjoining recess (16) which extends along the central axis and has a larger cross-section with increasing elongation, and the wall surfaces of the recess (16) delimiting the swirl chamber (36) as swirl chamber walls (38) are designated, characterized in that the swirl chamber wall (38) has at least one guide groove (100, 101, 102, 103, 104), in particular has only one guide groove (100, 101, 102, 103, 104). Dralldüse nach Anspruch 1, wobei die die Führungsrille (101, 102) im Querschnitt einen eckigförmigen Querschnitt aufweist.Swirl nozzle after Claim 1 wherein the guide groove (101, 102) has an angular cross-section in cross-section. Dralldüse nach Anspruch 1, wobei die Führungsrille (104) einen dreieckförmigen Verlauf aufweist.Swirl nozzle after Claim 1 , wherein the guide groove (104) has a triangular course. Dralldüse nach Anspruch 1, bei der die Führungsrille (103) im Querschnitt einen gebogenen, ovalen oder runden Querschnitt aufweist.Swirl nozzle after Claim 1 , in which the guide groove (103) has a curved, oval or round cross section in cross section. Dralldüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei der die Führungsrille (100-104) an einer Mündungsöffnung (46) eines Drallkanals (42) beginnt, wobei der Drallkanal (42) die Flüssigkeit in die Drallkammer (36) zuführt.Swirl nozzle according to one or more of the Claims 1 , 2 , 3 or 4th , in which the guide groove (100-104) begins at an orifice (46) of a swirl channel (42), the swirl channel (42) feeding the liquid into the swirl chamber (36). Dralldüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei der die Führungsrille (100-104) spiralförmig verläuft.Swirl nozzle according to one or more of the Claims 1 , 2 , 3 , 4th or 5 , in which the guide groove (100-104) runs in a spiral. Dralldüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei der die Führungsrille (100-104) bis zum Übergang (92), verläuft, insbesondere sich bis zur Düsenaustrittsöffnung (14) erstreckt.Swirl nozzle according to one or more of the Claims 1 , 2 , 3 , 4th , 5 or 6th , in which the guide groove (100-104) runs up to the transition (92), in particular extends up to the nozzle outlet opening (14). Dralldüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, wobei in die Ausnehmung (16) formschlüssig ein Innenkörper (22) mit dem zur Mittelachse (20) senkrecht in den Drallkammerboden (34) einsetzbar ist, so dass der Drallkammerboden (34) und zwischen diesem und der Dralldüsenaustrittsöffnung (14) liegende Wandfläche (18) der Ausnehmung (16) die Drallkammer (36) begrenzen, wobei ein Teilbereich (99) der Wandflächen der Ausnehmung (16) eine Kegelsitzfläche (32) für den kegelstumpfförmig ausgebildeten Innenkörper (22) bildet.Swirl nozzle according to one or more of the Claims 1 , 2 , 3 , 4th , 5 , 6th or 7th wherein an inner body (22) with the one perpendicular to the central axis (20) perpendicular to the swirl chamber floor (34) can be inserted into the recess (16) in a form-fitting manner, so that the swirl chamber floor (34) and the wall surface (14) lying between it and the swirl nozzle outlet opening (14) 18) of the recess (16) delimit the swirl chamber (36), a portion (99) of the wall surfaces of the recess (16) forming a conical seat surface (32) for the frustoconical inner body (22).

Images