DE1601958A1

DE1601958A1 - Zerstaeuberduese,insbesondere Drallduese zur Zerstaeubung fluessiger Brennstoffe

Info

Publication number: DE1601958A1
Application number: DE1968P0044232
Authority: DE
Inventors: Kuhn Roy Clifford; Simmons Harold Cuthbert; Hogg Eugene Russel
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1967-03-15
Filing date: 1968-03-14
Publication date: 1971-03-04
Also published as: GB1188761A; BE712147A; DE1601958B2; US3474970A

Description

DlPL-ING. LUDEWIG · DIPL-PHYS. BUSE · 56 WUPPERTAL-BARMEN

Kennwort: "Ia.tXtu:nhüllter Dtisenauslass"

Ji¹Ir a Farter- fann if in Corporation, Cleveland / Ohio, (V .3i.v.-L. ) 17325 laue lid Avenue.

Zerstäuberdüse, insbesondere Dralldüse zur Zerstäubung flüssiger

Brennstoffe.

Die Erfindung betrifft eine Zerstäuberdüse, insbesondere eine Dralldüse ^ur Zerstäubung flüssiger Brennstoffe, mit im Düsenliörper angeordneten Flüssigkeitskanälen, die eine Wirbelkammer zur Erzeugung einer Wirbelbewegung in der bindureiiströmendon Flüssigkeit aufweisen, und mit einer sicu nach aussen Ironisch erwoiternden Düsenmündung, aus der die Flüssigkeit in hoblke#eli&er Oostalt austritt.

Die hier behandelte Düse gehört zu der Kategorie von Flüssigheiten zerstäubenden Vorrichtungen, bei denen ein Teil oder die gesamte erforderliche Energie zur Zerteilung und Zerstreuung des Sprülinebels von einem Hilfsmedium, wie Luft, geliefert wird. Vorrichtungen dieser Art sind für Gasturbinen oder ähnliche Anwendungen geeignet. Derartige Vorrichtungen besitzen die verschiedensten Formen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen von Flüssigkeit»- und (Jaskanälen. Die dabei zur Anwendung koipnienden Gasdrücke können sogar einige Hundert Pfund pro Quadratzoll aufweisen. Im Gegensatz hierzu ist es möglich die erfindungsgemässe Düse als einen Niederdruokzerstäubor zu bezeichnen, weil der zur ausreichenden Zerstäubung erforderliche

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Luftdruck nur in den. Bereich von o,o35 kn/cto" (o, 5 Pfund pro Quadratzoll) und o,7 kp/cni (Io Pfund pro Quadratzoll) liegt. Dieser niedrige Druck macht die erf itidungsgesiässe Düse insbesondere für iliro Benutzung in Flugzeug—Gasturbinen geeignet, aufgrund der Schwierigkeiten und kostspieligen Vorkehrum;.n um einen hohen Luftdruck,insbesondere bei grossen flughöheu zu erhalten.

Ein Nachteil der bekannten, luftunterstützten ZerstUubungsvorrichtungen liegt darin, dass der Sprühkegel sich auf einen strahl mit verhältnismässig kleinem öffnungswinkel von üblicherweise weniger als 60 Grad beschränkt. Demgegenüber ist es bei m— Wendungen in Verbrennungsmotoren sowie auf vielen anderun Anwendungsgebieten, wie der Zerstäubungstrocknung, erfordorlieh einen Sprüh «rege 1 mit einem ',-ff nun swinkel in der Grössenordnung von 90 Grad und mehr zu erhalten.

Ein bekannter Vorteil der unter Verwendung von Luft/arbeitenden Zerstaubungsvorriclitungen beruht darin, dass die Vernebelung von Flüssigkeiten mit höheren Viskositäten möglich ist, als bei der Zerstäubung in üblichen flüssigkeitsdruclcbeaufschlagten Zerstäubuugsvorrichtungen. Weil es bei der vorliegenden Erfindung darüberhinaus unnötig ist hohe Flussigkeits— Einlassdrücke zu verwenden, ist es möglich die Dimensionen der Flüssigkeitskanäle bei einer vorgegebeneu Strömungsmenge grosser zu gestalten, womit das Problem der Verstopfung der Kanäle durch Verunreinigungen gegenstandslos wird.

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Din vor 1 -io/rende Erfindung zeichnet sich gegenüber den eingangs crv.'iihnten, bekannten Zerstäuberdüsen durch einen zum Mischen von Luft mit dc::i am Mündangseniie.-'vorbciströmeiiden Fliissigkeitskegel dienenden luftkanal von ringförmiger Gestalt aus, der konzentrisch UHi die M:;tu1ung der Piise augeordnet ist, womit die Flüssiglceit in einen feinen konischen Sprühuebel zerteilbar ist.

In der zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführuugsfoeispiel der Erfindung dargestellt, worauf die Erfindung ubei" nicht beschränkt, ist. iis zeigen:

Fig. 1 die Ansicht einer an einem Luft- Brennstoff- Verteiler angebrachten Düse nach der Erfindung, ·

Fii". 2 in vielfacher Vergrüsseruug die Sehuittansicht eines Toilstiiclies der Düse längs der Schnittlinie 2-2 von Fig. 1 und _

Fig. '■} vergleichende grqpMscbe Darstellungen über Arbeitskennlinien der luftunterstiitzten Düse nach der Erfindung mit einer üblichen, lediglich in ihrem Brennstoff d-riruclibeaufschlagten Zerstäuberdüse ohne Luftunterstützung.

Die in Fig. 1 gezeigte Zerstäubungsdüse 1 ist an einem zweifachen Verteiler 2 angebracht, der zur Versorgung der jeweiligen Luft- und Breunstoffkaiiäle k, 3 in der Düse 1 mit Luft und Brennstoff dient. Die Düse 1 besteht aus einem rohrförmigen Körper 5 und einem Düsonbauteil 6, die zwischen sich die Luftkanale 3 einschliessen. Der Düsenbautei1 6 trügt in seinem Brennstoffkanal h einen Wirbeleinsatz 7, der mit Muten ··« verschon ist..

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Diese Nuten i> sind in einem Winkel gegen die Achse einer Wirbelkammer 9 angeordnet, so dass sie eine Dra]lströmung des Bronnstoffes verursachen, die die allgemeinen Kenninerkmale eines freien Wirbels aufweist. Der Brennstoff strömt durch eine Mündung jio nach aussen, die koaxial mit der Wirbelkammer 9 ausgerichtet ist. Die Mündung Io ist in Richtung des ausströmenden Brennstoffes zu einer im wesentlichen konischen Lippe :L1 erweitert, die in einer scharfen Kante 12 endet.

Um die Wirbelkammer 9 herum ist eiu ringförmiger Luftkanal 3 vorgesehen, der durch wirbelerzeugeude Leitschaufeln oder N'uten im Düsenbauteil 6 auf einen minimalen Durchmesser zusammenläuft und sich hernach wieder konisch nach aussen erweitert. Dei' Luftstrom wird weiterhin von einer Lippe 15 geführt, die konzentrisch zu der Mündung Io angeordnet ist und ebenfalls in einer scharfen Kante 16 ausläuft.

Die Querschnittsfläche für den Luftstrom ist bis zum Ort des Punktes 17 als kontinuierlich ab-nehmeud zu bezeichnen. Diesjer Punkt 17 ist so nah als möglich an der Kante 12 der Mündung Io angeordnet. Folglich ist die grösste Luftgeschwinidigkeit an dieser Stelle 17 erzeugt. Die Flächeugestnlt der Lippe 15 sorgt in Verbindung mit der Wirkung der Wirbelnuten IAi für eine austretende Luftströmung, die in ihrem Bestreben gekennzeichnet ist einer konischen Fläche zu folgen. Zu beachten ist, dass die konischen Flachen der Lippe 11, 15 etwa den gleichen Winkel einschliessen.

Bei Eintritt des Brennstoffes in die Wirbelkammer 9 bei Betrieb der Düse entsteht ein einen Luftkern einschiebender Vi^ol

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wie aus Pig. 2 zu erkennen ist. Daraufhin tritt der Brennstoff aus der Mündung Io in Form eines hohlen Kegelmantels aus, der gezwungen ist j der Leitfläche der Lippe 11 zu folgen und die Kante 12 als ein sehr dünner Kegelmantel zu verlassen. An dieser Stelle wirkt der Luftstrom, der eine hohe Geschwindigkeit aufweist unmittelbar auf den Kegelmantel des Brennstoffes Luft ein, womit der Brennstoff in eine Vielzahl kleinster Tröpfchen zerteilt wird, die unter dem vereinigten Drall der Flüssigkeits- und Luftströmung fortfahren einer im wesentlichen konischen Bahn zu folgen, bis auf sie andere Kräfte, wie Luftturbulenzen, einwirken. Bei diesen erfindungsgemässen Lösungsmitteln wird mit Vorteil von den natürlichen Eigenschaften der Wirbelkammer 9 Gebrauch gemacht die darin bestehen, einen Kegelmantel aus Brennstoff zu erzeugen. Die Strömungsluft dient als ein Zerteilungs—Mechanismus, der aus dem dünnen Flussigkeitsmantel den Spriihnebel erzeugt.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung beruht darin, die Schwierigkeiten zu lösen, die bei Verwendung einer hochviskosen BrennstoffItissigkeit während niedriger Brennstoffdrucke sich ergeben, wo die aus der Mündung io austretende Brennstoff lüssigiceit einen unzureichenden Drall aufweist, um einer konischen Mahn zu folgen. Hei der erfindungsgemässen Düse wirkt nun die hohe Geschwindigkeit der Luft bei ihrem Durchgang an der Stelle 17 wie eine Saugdüse, bei der wegen der eintretenden Erniedrigung dee statischen Druckes infolge der hohen Liiftgefohwindigkelt die arennstofflüssigkeit nach aussen entlang der Lippen Ii und 15 herausgesogen und schliesslioh von

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dem Luftstrom vernebelt wird. Dieses Gharakteristikura der Düse ist in Fig. 3 veranschaAicht, woraus zu erkennen "ist, dass der aus der Düse heraustretende Sprühkegel seinen öffnungswinlcol. bei der mit Luftunterstützung arbeitenden Düse 1 nach der Erfindung herab bis zu sehr kleinen .jtrömungsmengen aufrechterhält. Diese Strömungsraengen sind weit-aus geringer als die entsprechenden Werte, die zur Erzeugung eines erkennbar kegelförmigen Ausflusses bei den üblichen Düsen mit nur Dmckbeaufschlagter Brennflüssigkeit erforderlich sind.

Beim Entwurf der ürennstoffwirbelkammer 9 können die Dimensionen des Einlasskanals ¹I und der Mündung Io ohne Rücksicht auf den Zerstäubungavorgang gewählt werden; anders ausgedrückt, die Dimensionen können maximal' gestaltet sein und ein niedriger Plüssigkeitszerstäubungs- Druck angewendet werden. Die Geometrie und Grosse des Luftströmungskanals 3 scheint bisjhin zu der Stelle 17 nicht kritisch zu sein. Ferner wurde festgestellt, dass die Weite des Luftringraumes an der Stelle 17 in der gleichen Grössenordnung liegen sollte, wie die Dimensionen der Brennstoffeinlassnuten 8. Damit zeigt es sich, dassteine grössere Präzision zur Herstellung der Luftkanäle 3 und Ik erforderlich ist, als bei der Wirbelkammer 9. Die beachtliche Wirksamkeit der erfindungsgemässen Düse bei der Erzeugung eines feinverteilten Nebels liegt in der hohen4cinetischen Energie des Luft— stromes begründet. Z.B. kann bei gleichen Stromungsmengen von Luft und Brennstoff und einem gleichen Druckabfall für beide strömende Medien die kinetische Energie der Luft mehr als 600 mal grosser als die der Flüssigkeit betragen. So ist in

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einem Auwe-ndungsfall zur Zerstäubung einer Brennstofflüssigkcits- :nenge von ο ,473 Liter pro Stunde (1 pint^Stundo) nur ein Brenn-

stofflüssigkeitsdruek von o,o7 kp/cm* erforderlich, falls Luft in einer Menge von o,473 l/h (1 .p intakt und e) bei einem Druck-ab-

fall vou o,o7 kp/cra" (l Pfund /Quadratzoll) zugeführt wird. Die /ur Zerst«ubiniii dienende I.raft dieser Düse 1 ist dabei vergleichbar jener Kraft einer üblichen, ausschliesslieh in ihrer Flüssigkeit di'uck-beaufschla^ten Zerstäubungsdüse, falls diese einem ite'ouustoffbetricbsdruck vou etwa 2o,7 kp/cm" (3oo Pfund/ ^f)uadratzoll) unterliegt. Diese zuletzt genannten ausschliesBlich über den ilrennstoffdruek betriebenen Düsen müssen extrem kleine Dimensionen in der Praxis aufweisen. Ferner sind sie, falls man sehr hohe Bi'enustoff- Einlassdrucke nicht verwenden will, im Anwendungsbereich der Druehflussmengeu sehr stark begrenzt.

Der Winkel des Zerstäubungskegels kann leicht durch einfache Änderung der üffnungswiiikel der Lippen ii und 15 abgeändert werden, ohne dass die Proportionen der Wirbelkammer 9 oder der Luft-strömungskanäle 3 und 14 abgeändert zu werden brauchten.

Aus Fig. 3 ist anhand der Kurve IS, die die Messwerte an der erfindungsgemässen Düse 1 darstellt, zu erkennen, dass der Öffnungswinkel des Zerstäubungskegels unabhängig votyfler Brennstoff-Durchflussmenge konstant bleibt. Dieser Winkel beträgt 9o Grad für alle Ureuustoffdurchflussmeugen zwischen ο und loo pin*pro Stunde, was 47, 3 l/h entspricht. Demgegenüber eind die entsprechenden Messwerte an einer üblichen ausschliesslieh über ihren Brennstoffdruck betriebenen Düse ausweislich der Kurve 19 von Pig. 3 nicht mehr konstant. Der Öffnungswinkel des Zerstäubung

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kegols erliiilt seinen durch die Konstruktion vorgegebenen Vert von 9o erst dann, wenn die Durchflussmenge über 6o pints pro Stunde, das sind £8,38 "l/h erreicht hat. Hler nimmt der öffnungswinkel erst allmählich den endgültigen ifert von 9o nn. Hei einer Brennstoffdurchflussmenge von 25 pints pro ütunde, das sind 11, rj l/h, beträgt der Winkel etwa 6o ,

Die Kurve 2o von Fig. 3 stellt die Kennlinie für den Hreniistoffeinlassdruck, der in der Tabelle in Pfund pro QuadratzoJl gemessen wird, in Abhängigkeit von der Urennstoff-I)urchflussmongc dar, die in pints pro Stunde eingezeichnet ist. Diese Kurve ist für beide vorerwähnte Düsen maßgebend, nämlich die erfinduugsgemasse, mit Luftunterstützung arbeitende, Düse 1 und die übliche nur über brennstoffdruck betriebene bekannte Düse, Anhand der¹ Kurven ?.i und 23 ist die Abhängigkeit der mittleren Trbpfchengrb'sse im jprühnebel, in Mikron gemessen, von der urennstoff-Durohflussmenge dargestellt, die, wie bereits erwähnt, in der graphischen Darstellung in pints pro Stunde gemessen wird, und zwar richtet sich die Kurve 21 wiederruni auf die üblichen Zerstäubungsdüse!!, die nur über ihren Brennstoff druck betrieben werden, während die Kurve 23 die entsprechenden Verhältnisse anhand der erfindungsgeiiiässen Düse 1 veranschaulicht. In dem dargestellten Strumungsbereich besitzt die bekr.nnte Düse ausweislich der Kurve 21 nur einen nützlichen Strömungsspielraum von etwa h zu 1 mit einer DurchschnittstropfohengrüssG von etwa 12o Mikron bei einer Durchflusaienge von loo pints pro Stunde, Die durchschnittliche Tropfohengrösse bei einer Durchflussmonge von 25 pints pro Stunde beträgt etwa 22o Mikron, was die Grenze der llmidibnrUei t für die nrenustoff-

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zerstäubung darstellt. Im Gegensatz hierzu besitzt die erfinduugsiienässe Düse 1 ausweislich der gemessenen Kurve 23 einen brauchbaren ;.Jtrömungsspielraum von loo zu 1 mit einer Tropfchengrosse im Bereich von weniger als 5o Mikron bei geringsten Durcnflussiiieugüii, wie auch bei DurchßLussuiengen von mehr als 3oo pints pro Stunde. Die Tropf ehengrösse niinmt bei einer Durchflussmenge von etwa ho pints pro stunde ein Maximum mit 14o Mikron ein und fällt dann allmählich herab auf etwa 12o Mikron bei einer .Durchflussmenge von loo pints pi'-o Stunde.

Mit der Düse 1 nach der ülrfladung ist es kein Problem selbst hochvis kose ürennstoffe bei niedrigen Temperaturen in einer Verbrennungsmaschine wieder zur Zündung zu bringen, und zwar selbst in 7.6oo Meter Höhe (25,ooo Fuß). Es zeigte sich, dass der Luftstrom bei hohen Durcbflussmengen abgebrochen werden kann, falls erwünscht, wenn auch die Ergebnisse besser, mit .durch— wirbelter, unter niedrigem Druck stehender Luft ausfallen. In manchen Anwendungsfällen werden zufriedenstellende Ergebnisse durch Weglassen der Wirbe!schlitze Ik für die Luft erhalten.

Es wurde jedenfalls festgestellt, dass zur Erreichung der erfindungsgomässen Wirkungen nur ein niedriger Luftdruck von etwa o,o35 kp/bffl bis o,7 kp/cni (o,5 bis Io Pfund pro Quadratzoll) nötig ist. Bei den in Fig. 3 eingezeichneten kennlinien der Düse nach der Erfindung 1 betrug der Luftdruck nur o,o7 kp/cm² (1 Pfund pro Quafratzoll).. Die Viskosität der dabei verwendeten lirennsfcofflüssigkeit betrug 12 Cenfcistoke.

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Claims

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. LUDEWIG · DIPL.-PHYS. BUSE · 56 WU PPERT

Kennwort:"Luftumhüllter Düsetiauslass"

Patentansprüche:

1. Zerstäuberdüse, insbesondere Dralldüse zur Zerstäubung flüssiger Brennstoff, mit im Düsenkörper angeordneten Flüssigkeitskanälen, die eine Wirbelkammer zur Erzeugung einer V:irbelbewegung in der hindurch ströraerKieu Flüssigkeit aufweisen, und mit einer sich nach aussei! konisch erweiternden üüsenniündung, aus der die Flüssigkeit in hohlkegeliger Gestalt austritt, gekennzeichnet durch einen zum Mischen von Luft mit dem an Mündungseude vorbeis-trömenden" FlUssigkeitskegel dienenden, rinaßjrmigen Luftkanal (3), der konzentrisch um die Mündung (lo) angeordnet ist, womit die Flüssigkeit in einen feinen konischen Spriihnebel zerteilbar ist.

2. Zerstäuberdüse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (lo) und die Innenwandungen des Luftkanals

(3) gegen eine verhältnismässig scharfe Kante hin konvergieren.

3. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rinförmige Luftkanal (3) eine miuimale lladialquerschnittsweite im wesentlichen am Ende der Müudung (lo) besitzt, womit zusätzlich zu den radialen und axialen Komponenten in der verwirbelten Flüssigkeit bei deren Zerteilung in feine Teilchen eine Ansaugwirkung hervorgerufen ist.

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h, Zerstäuberdüse nach Anspruclii oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenwandun.qcti des Luftkanals (3) sich radial und axial jenseits des Münduugswendoa (lo) fortsetzen unter Di llung einer konischeu Flach·? (15) womit die die Bot;roiizuHü, der Mündung verlassende Flüssigkeit bei ihrer Zertoiluiifi durch deu entlang der konischen Fläche (15) fliessendeu 1 .u ft strom unterstützt ist.

^r). Düse tusch eimnn oder niehreren der -Ansprüche I bis Ί, dadurch U¹ kennzeichnet, dass der Luftkanal (5) konische Innen- und Auksemv'nndungen besitzt, durch die die Luft eine hohe ätrüriitmv'SirrcsoInfindigkeit beim Mischen mit der Flüssigkeit erfährt.

6. Zerstäuberdüse nach einem odei" mehreren der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (3) Wir be !nuten (14) zur lürzeueung einer Wirbelbewegung der Luft an ihrer Mischstelle mit der Flüssigkeit besitzt.

7. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (3) zur Luftströmung in kegelförmiger Bahn längs der Flüssigkeit unmittelbar stromaufwärts vom Mündungsonde (Ip) sich nach aussen erweiternde konische Innen - und Aussenviatiduugen besitzt.

->. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkanäle (3) zur Luftströmung in einer kegelförmigen Bahn unmittelbar stromaufwärts vom Müudungsende (lo) sich

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nach ausscn erweiternde konische Innen- und Aussenwundungcn besitzen, wobei die äusseren konischen Wandungen der Luftkanal^ sich radial und axial über das Ende der Mündung (lo) hinaus fortsetzen.

9. Zerstäuberdüse nach Anspruch i oder 2, dadurch gekcntr/üichnet, dass der Luftkanal (3) nach innen hin sich erweiternde innere und iiussere konische Wandungen besitzt, die stromaufwärts unmittelbar am Ende der Mündung (to)- nach ausscn erweitert sind, um den mit wachsender Geschwindigkeit strömenden Luftfluss in Drehung zu versetzen, so dass er als kegelförmige Strömung entlang der-die Mündungscreuze überschreitenden Flüssigkeit strömt.

10. Zerstäuberdüse nach Anspruch 9 _r dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (3) zur Erzeugung einer Virbai bewegung in der Luft an deren Mischstelle mit der Flüssigkeit '»/irbolniiten (1Ί) besitzt, womit die Zerteilung der Flüssigkeit in der Gesta.lt eines feinen Sprühnebels zusätzlich gefördert ist.

11. Zerstäuberdüse nach Anspruch 9» oder Io dadurch gekennzeichnet, dass die nach innen hin verlaufenden inneren und äusseren konischen Wandungen konvergieren, um eine weitere Zunahme der Luftgeschwindi^lrettr durch Erzeugung einer wachsenden Ansaugwirkung beim Strömen längs der Flüssigkeit zu erhalten.

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