DE1601958B2

DE1601958B2 -

Info

Publication number: DE1601958B2
Application number: DE1601958A
Authority: DE
Inventors: Eugene Russel Mentor Hogg; Roy Clifford Parma Kuhn; Harold Cuthbert Richmond Heights Simmons
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1967-03-15
Filing date: 1968-03-14
Publication date: 1979-06-13
Also published as: US3474970A; BE712147A; DE1601958A1; GB1188761A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Zerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper mit einem eine Wirbelbewegung der hindurchströmenden Flüssigkeit erteilenden, in eine Wirbelkammer führenden Flüssigkeitsdurchlaß, eine aus dieser Wirbelkammer herausführende Flüssigkeits-Mündung, aus welcher die Flüssigkeit in Form eines Hohlkegels ausströmt und einen ringförmigen, die Flüssigkeitsmündung koaxial umgebenden Luftkanal, der konvergierend aufeinander zulaufende Wandungen aufweist.

Bei einer aus der GB-PS 6 57 968 bekannten Zerstäuberdüse der vorgenannten Art weist diese eine in ihrem letzten Abschnitt zylindrische Flüssigkeits-Mündung auf, die von einer ebenfalls zylindrischen, die Flüssigkeits-Mündung ringförmig ummantelnden Luftaustrittsöffnung umgeben ist. Sowohl die Luftaustrittsöffnung als auch die Flüssigkeits-Mündung enden in der gleichen Ebene, wobei die Stirnfläche der Düse ausgehend von ihrer Austrittsebene sich nach außen konisch erweitert. Diese konische Erweiterung dient jedoch nicht der Bildung einer definierten Kegelform der aus der Flüssigkeits-Mündung austretenden und dahinter durch den Luftstrom zerstäubten Flüssigkeit, wie Brennstoffen u. dgl. Dabei ist der Spitzenwinkel des Kegels der aus der Düse austretenden, zerstäubten Flüssigkeit abhängig von der den Flüssigkeitsteilchen in der Wirbelkammer erteilten Fliehkraft, der Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der Flüssigkeits-Mündung und der Austriltsgeschwindigkeit der aus dem Luftkanal austretenden Luft. Die Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und die Fliehkraft in den Flüssigkeitsteilchen werden bei dieser bekannte Lösung durch eine Spindel erzeugt, deren Schaft vo einer Leitschnecke umfaßt ist, wobei dessen kegelig Spitze mehr oder weniger tief in die Flüssigkeitsmüt dung einragt. Zur Verbesserung der Flüssigkeitszerstäi bung ist der Luftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt, vo denen der eine aus der· die Flüssigkeits-Mündun unmittelbar umgebenden Austrittsöffnung und de andere aus einem den Luftkanal sowohl in radialer a; auch in axialer Richtung im größeren Abstan umgebenden Ringspalt, radial zum Zentrum der Düe gerichtet austritt. Obschon im Bereich zwischen der Ringspalt und der zusammen mit der Flüssigkeits-Müi dung in einer Ebene angeordneten Austrittsöffnung de inneren Luftkanals ein Kegelwinkel der zerstäubte Flüssigkeit von ca. 180° erreicht werden mag, wird doc der sich weiter unterhalb des Ringspaltes fortsetzend Kegel der zerstäubten Flüssigkeit durch den aus der Ringspalt austretenden Luftstrom wesentlich eingeeng Außerdem ist diese aus einer Vielzahl von Bauteile bestehende Zerstäuberdüse sehr aufwendig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung beste: darin, eine Zerstäuberdüse der vorgenannten A dergestalt zu verbessern, daß bei Verwendung wenige einfacher Düsenbauteile ein definierter, sich gleichfö mig fortsetzender, in kleinste Flüssigkeitspartik aufgeteilter Zerstäuberkegel mit einem Öffnungswink von 90° und mehr erzielt werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelö daß die Flüssigkeits-Mündung eine sich nach auß erweiternde kegelige Form aufweist und der sein engsten Durchlaßquerschnitt in der Ebene der Austrit Öffnung der Flüssigkeitsmündung aufweisende Luftl· nal im Bereich vor dieser Ebene mit seiner Kanalinne wand und etwa ab dieser Ebene mit seiner Kanalaußt wand einen sich glockenförmig, radial nach auß erweiternden Verlauf aufweist, und die Außenwand c Luftkanals stetig konisch weiterläuft, wobei e öffnungswinkel dieses Konus im wesentlichen gle: dem öffnungswinkel der Kegelform der Flüssigkei Mündung ist.

Infolge der den Flüssigkeitsteilchen in der Wirb kammer erteilten Fliehkraft und infolge der Form ι Flüssigkeits-Mündung behält die sich in einem Glock mantel nach außen erweiternd austretende Flüssig^ durch den ebenfalls in Richtung dieses Glockenman; austretenden Luftstrom unter Zerstäubung der Fluss keit ihre kegelige Form bei. Da der Luftkanal seil engsten Durchlaßquerschnitt in der Ebene der Austri Öffnung der Flüssigkeits-Mündung erreicht, ist dort Ausströmgeschwindigkeit der austretenden Luft größten, so daß die Flüssigkeit aus der Austrittsöffni beschleunigt herausgesaugt und fortgeführt wird. Da wird ein beträchtlicher Teil der Energie zur Zerst bung und Zerteilung der Flüssigkeit vom Luftstr aufgebracht. Dadurch kann eine ausreichende Zerst bung bei relativ niedrigem Druck in der Flüssig! erfolgen. Dies wiederum ermöglicht den Einsatz erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse in Düsentriebv ken von Flugzeugen, die in großen Flughö verkehren, ohne daß es erforderlich ist, die Zerstäuberdüse zuzuführenden Luft in hohe Luftdri: erzeugenden Luftverdichtern aufzubereiten. Da bei erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse auch nur geringer Flüssigkeitsdruck erforderlich ist, können Verwendung hochviskoser Flüssigkeiten die Flü; keitskanäle ziemlich groß dimensioniert sein, so dal." gefürchtete Verstopfungsgefahr wesentlich gemin

ist. Falls bei einer gewünschten Änderung des Kegels der Zerstäuberflüssigkeit die öffnungswinkel der Flüssigkeits-Mündung und der konisch verlaufenden Außenwand des Luftkanales geändert werden, so macht diese Änderung keinesfalls auch eine Veränderung der Wirbelkammer oder des Luftkanales der Zerstäuberdüse erforderlich.

Um das Ausziehen der Flüssigkeit durch den Luftstrom aus der Flüssigkeits-Mündung und die Zerstäubung der Flüssigkeit selbst zu begünstigen, geht nach einem Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung die sich nach außen erweiternde Innenwand des Luftkanales in die Austrittsöffnung der Flüssigkeits-Mündung über, so daß an der Austrittsöffnung der Flüssigkeits-Mündung und dem diese umgebenden Luftkanal eine Abrißkante zustande kommt.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung sind im Luftkanal in an sich bekannter Weise Wirbelleitflächen angeordnet, wodurch im Luftstrom ein Drall erzeugt wird, der die auf die Flüssigkeit ausgeübte Saugwirkung noch erhöht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Ansicht einer an einem Luft-Brennstoff-Verteiler angebrachten Düse nach der Erfindung,

F i g. 2 in vielfacher Vergrößerung die Schnittansicht eines Teilstückes der Düse längs der Schnittlinie 2-2 von Fig. 1 und

F i g. 3 vergleichende graphische Darstellungen über Arbeitskennlinien der luftunterstützten Düse nach der Erfindung mit einer üblichen, lediglich in ihrem Brennstoff druckbeaufschlagten Zerstäuberdüse ohne Luftunterstützung.

Die in Fig. 1 gezeigte Zerstäubungsdüse 1 ist an einem zweifachen Verteiler 2 angebracht, der zur Versorgung der jeweiligen Luft- und Brennstoffkanäle 4, 3 in der Düse 1 mit Luft und Brennstoff dient. Die Düse 1 besteht aus einem rohrförmigen Körper 5 und einem Düsenbauteil 6, die zwischen sich die Luftkanäle 3 einschließen. Der Düsenbauteil 6 trägt in seinem Brennstoffkanal 4 einen Wirbeleinsatz 7, der mit Nuten versehen ist.

Diese Nuten 8 sind in einem Winkel gegen die Achse einer Wirbelkammer 9 angeordnet, so daß sie eine Drallströmung des Brennstoffes verursachen, die die allgemeinen Kennmerkmale eines freien Wirbels aufweist. Der Brennstoff strömt durch eine Mündung 10 nach außen, die koaxial mit der Wirbelkammer 9 ausgerichtet ist Die Mündung 10 ist in Richtung des ausströmenden Brennstoffes zu einer im wesentlichen konischen Lippe 11 erweitert, die in einer scharfen Kante 12 endet.

Um die Wirbelkammer 9 herum ist ein ringförmiger Luftkanal 3 vorgesehen, der durch wirbelerzeugende Leitschaufeln oder Nuten im Düsenbauteil 6 auf einen minimalen Durchmesser zusammenläuft und sich hernach wieder konisch nach außen erweitert. Der Luftstrom wird weiterhin von einer Lippe 15 geführt, die konzentrisch zu der Mündung 10 angeordnet ist und ebenfalls in einer scharfen Kante 16 ausläuft.

Die Querschnittsfläche für den Luftstrom ist bis zum Ort des Punktes 17 als kontinuierlich abnehmend zu bezeichnen. Dieser Punkt 17 ist so nah als möglich an der Kante 12 der Mündung 10 angeordnet. Folglich ist die größte Luftgeschwindigkeit an dieser Stelle 17 erzeugt. Die Flächengestalt der Lippe 15 sorgt in Verbindung mit der Wirkung der Wirbelnuten 14 für eine austretende Luftströmung, die in ihrem Bestreben gekennzeichnet ist, einer konischen Fläche zu folgen. Zu beachten ist, daß die konischen Flächen 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 einschließender Wirbel, wie aus F i g. 2 zu erkennen ist. Daraufhin tritt der Brennstoff aus der Mündung 10 in Form eines hohlen Kegelmantels aus, der gezwungen ist, 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 einer 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 Flüssigkeitsmantel den Sprühnebel erzeugt.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung beruht darin, die Schwierigkeiten zu lösen, die bei Verwendung einer hochviskosen Brennstoffflüssigkeit während niedriger Brennstoffdrucke sich ergeben, wo die aus der Mündung 10 austretende Brennstoffflüssigkeit einen unzureichenden Drall aufweist, um einer konischen Bahn zu folgen. Bei 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 des statischen Druckes infolge der hohen Luftgeschwindigkeit die Brennstoffflüssigkeit nach außen entlang der Lippen 11 und 15 herausgezogen und schließlich von dem Luftstrom vernebelt wird. Dieses Charakteristikum der Düse ist in F i g. 3 veranschaulicht woraus zu erkennen ist, daß der aus der Düse heraustretende Sprühkegel seinen öffnungswinkel bei der mit Luftunterstützung arbeitenden Düse 1 nach der Erfindung herab bis zu sehr kleinen Strömungsmengen aufrechterhält. Diese Strömungsmengen sind weitaus geringer als die entsprechenden Werte, die zur Erzeugung eines erkennbar kegelförmigen Ausflusses bei den üblichen Düsen mit nur druckbeaufschlagter Brennflüssigkeit erforderlich sind.

Beim Entwurf der Brennstoffwirbelkammer 9 können die Dimensionen des Einlaßkanals 4 und der Mündung 10 ohne Rücksicht auf den Zerstäubungsvorgang gewählt werden; anders ausgedrückt, die Dimensionen können maximal gestaltet sein und ein niedriger Flüssigkeitszerstäubungs-Druck angewendet werden. Die Geometrie und Größe des Luftströmungskanals 3 scheint bis hin 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, daß keine größere Präzision zur Herstellung der Luftkanäle 3 und 14 erforderlich ist, als bei der Wirbelkammer 9. Die beachtliche Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Düse bei der Erzeugung eines feinverteilten Nebels liegt in der hohen kinetischen Energie des Luftstromes begründet. Zum Beispiel kann bei gleichen Strömungsmengen von Luft und Brennstoff und einem gleichen Druckabfall für beide

strömende Medien die kinetische Energie der Luft mehr als 600mal größer als die der Flüssigkeit betragen. So ist in einem Anwendungsfall zur Zerstäubung einer Brennstoffflüssigkeitsmenge von 0,473 Liter pro Stunde nur ein Brennstoffflüssigkeitsdruck von 0,07 kp/cm² erforderlich, falls Luft in einer Menge von 0,473 l/h bei einem Druckabfall von 0,07 kp/cm² (1 Pfund/Quadratzoll) zugeführt wird. Die zur Zerstäubung dienende Kraft dieser Düse 1 ist dabei vergleichbar jener Kraft einer üblichen, ausschließlich in ihrer Flüssigkeit druckbeaufschlagten Zerstäubungsdüse, falls diese einem Brennstoffbetriebsdruck von etwa 20,7 kp/cm² unterliegt. Diese zuletzt genannten ausschließlich über den Brennstoffdruck betriebenen Düsen müssen extrem kleine Dimensionen in der Praxis aufweisen. Ferner sind sie, falls man sehr hohe Brennstoff-Einlaßdrucke nicht verwenden will, im Anwendungsbereich der Durchflußmengen sehr stark begrenzt.

Der Winkel des Zerstäubungskegels kann leicht durch einfache Änderung der öffnungswinkel der Lippen 11 und 15 abgeändert werden, ohne daß die Proportionen der Wirbelkammer 9 oder der Luftströmungskanäle 3 und 14 abgeändert zu werden brauchten.

Aus F i g. 3 ist anhand der Kurve 18, die die Meßwerte an der erfindungsgemäßen Düse 1 darstellt, zu erkennen, daß der öffnungswinkel des Zerstäubungskegels unabhängig von der Brennstoff-Durchflußmenge konstant bleibt. Dieser Winkel beträgt 90 Grad für alle Brennstoff durchflußmengen zwischen 0 und 100 pints pro Stunde, was 47,3 l/h entspricht. Demgegenüber sind die entsprechenden Meßwerte an einer üblichen ausschließlich über ihren Brennstoffdruck betriebenen Düse ausweislich der Kurve 19 von F i g. 3 nicht mehr konstant. Der Öffnungswinkel des Zerstäubungskegels erhält seinen durch die Konstruktion vorgegebenen Wert von 90° erst dann, wenn die Durchflußmenge über 60 pints pro Stunde, das sind 28,38 l/h erreicht hat. Hier nimmt der öffnungswinkel erst allmählich den endgültigen Wert von 90° an. Bei einer Brennstoffdurchflußmenge von 25 pints pro Stunde, das sind 11,8 l/h, beträgt der Winkel etwa 60°.

Die Kurve 20 von F i g. 3 stellt die Kennlinie fur den Brennstoffeinlaßdruck, der in der Tabelle in Pfund pro Quadratzoll gemessen wird, in Abhängigkeit von der Brennstoff-Durchflußmenge dar, die in pints pro Stunden eingezeichnet ist. Diese Kurve 20 ist für beide vorerwähnten Düsen maßgebend, nämlich die erfindungsgemäße, mit Luftunterstützung arbeitende Düse und die übliche nur über Brennstoffdruck betriebene bekannte Düse. Anhand der Kurven 21 und 23 ist die Abhängigkeit der mittleren Tröpfchengröße im Spruhnebel, in Mikron gemessen, von der Brennstoff-Durchflußmenge dargestellt, die, wie bereits erwähnt, in der graphischen Darstellung in pints pro Stunde gemessen wird und zwar richtet sich die Kurve 21 wiederum auf die üblichen Zerstäubungsdüsen, die nur über ihren Brennstoffdruck betrieben werden, während die Kurve 23 die entsprechenden Verhältnisse anhand der ίο erfindungsgemäßen Düse 1 veranschaulicht. In dem dargestellten Strömungsbereich besitzt die bekannte Düse ausweislich der Kurve 21 nur einen nützlichen Strömungsspielraum von etwa 4 zu 1 mit einer Durchschnittströpfchengröße von etwa 120 Mikron bei einer Durchflußmenge von 100 pints pro Stunde. Die durchschnittliche Tröpfchengröße bei einer Durchflussmenge von 25 pints pro Stunde beträgt etwa 220 'Mikron was die Grenze der Brauchbarkeit fur die Brennstoffzerstäubung darstellt. Im Gegensatz hierzu besitzt die erfindungsgemäße Düse 1 ausweislich der gemessenen Kurve 23 einen brauchbaren Strömungsspielraum von 100 zu 1 mit einer Tröpfchengröße im Bereich von weniger als 50 Mikron bei geringsten Durchflußmengen, wie auch bei Durchflußmengen von mehr als 300 pints pro Stunde. Die Tröpfchengröße nimmt bei einer Durchflußmenge von etwa 40 pints pro Stunden ein Maximum mit 140 Mikron ein und fällt dann allmählich herab auf etwa 120 Mikron bei einer Durchflußmenge von 100 pints pro Stunde. Mit der Düse 1 nach der Erfindung ist es kein Problem selbst hochviskose Brennstoffe bei niedrigen Temperaturen in einer Verbrennungsmaschine wieder zur Zündung zu bringen, und zwar selbst in 7600 Meter Höhe (25 000 Fuß). Es zeigte sich, daß der Luftstrom bei hohen Durchflußmengen abgebrochen werden kann, falls erwünscht, wenn auch die Ergebnisse besser mit durchwirbelter, unter niedrigem Druck stehender Luft ausfallen. In manchen Anwendungsfällen werden zufriedenstellende Ergebnisse durch Weglassen der Wirbelschlitze 14 für die Luft erhalten.

Es wurde jedenfalls festgestellt, daß zur Erreichung der erfindungsgemäßen Wirkungen nur ein niedriger Luftdruck von etwa 0,035 kp/cm² bis 0,7 kp/cm² (0,5 bis 10 Pfund pro Quadratzoll) nötig ist. Bei den in Fig.3 eingezeichneten Kennlinien der Düse nach der Erfindung 1 betrug der Luftdruck nur 0,07 kp/cm² (1 Pfund pro Quadratzoll). Die Viskosität der dabei verwendeten Brennstoffflüssigkeit betrug 12 Centistoke.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zerstäuberdüse, umfassend einen Düsenkörper mit einem eine Wirbelbewegung der hindurchströmenden Flüssigkeit erteilenden, in eine Wirbelkammer führenden Flüssigkeitsdurchlaß, eine aus dieser Wirbelkammer herausführende Flüssigkeitsmündung, aus welcher die Flüssigkeit in Form eines Hohlkegels ausströmt und einen ringförmigen, die Flüssigkeitsmündung koaxial umgebenden Luftkanal, der konvergierend aufeinander zulaufende Wandungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits-Mündung (10) eine sich nach außen erweiternde kegelige Form aufweist und der seinen engsten Durchlaßquerschnitt (17) in der Ebene der Austrittsöffnung (12) der Flüssigkeits-Mündung (10) aufweisende Luftkanal (3) im Bereich vor dieser Ebene mit seiner Kanalinnenwand und etwa ab dieser Ebene mit seiner Kanalaußenwand einen sich glockenförmig, radial nach außen erweiternden Verlauf aufweist und die Außenwand (15) des Luftkanals (3) stetig konisch weiter läuft, wobei der öffnungswinkel dieses Konus im wesentlichen gleich dem öffnungswinkel der Kegelform der Flüssigkeits-Mündung (10) ist.

2. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich nach außen erweiternde Innenwand des Luftkanales (3) in die Austrittsöffnung (12) der Flüssigkeits-Mündung (10) übergeht.

3. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftkanal (3) in an sich bekannter Weise Wirbelleitflächen (14) angeordnet sind.