EP3473930A1 - Nozzle for a combustion chamber of an engine - Google Patents
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- EP3473930A1 EP3473930A1 EP18198872.6A EP18198872A EP3473930A1 EP 3473930 A1 EP3473930 A1 EP 3473930A1 EP 18198872 A EP18198872 A EP 18198872A EP 3473930 A1 EP3473930 A1 EP 3473930A1
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Definitions
- the invention relates to a nozzle for a combustion chamber of an engine for providing a fuel-air mixture at a nozzle outlet opening of the nozzle.
- a nozzle usually also serves to distort the supplied air, which is then, mixed with the supplied fuel, conveyed to the nozzle outlet opening of the nozzle in the combustion chamber.
- a plurality of nozzles are combined in a nozzle assembly that includes a plurality of nozzles arranged side by side, usually along a circular line, for introducing fuel into the combustion chamber.
- the US 9,423,137 B2 known nozzles with a plurality of air ducts and at least one Kraftstoffleitkanal provide that a first air duct along a nozzle longitudinal axis of the nozzle main body extends and a Kraftstoffleitkanal relative to the first air duct, based on the nozzle longitudinal axis, radially further out. At least one further, second air duct is then additionally opposite the fuel duct, with respect to the nozzle longitudinal axis, provided radially further outward.
- From the prior art is also known and, for example, in the US 9, 42, 3,137 B2 provided to provide such a nozzle with a third air duct, which optionally radially outwardly offset end in the axial direction follows the end of the second air duct.
- the nozzle design is of crucial importance, because it specifies with which (local) distribution of the fuel in the fuel-air mixture enters the combustion chamber.
- the fuel is distributed in a droplet-like manner homogeneously in the generated fuel-air mixture.
- a nozzle which has at least a first and a second air duct and a Kraftstoffleitkanal and at the between the end of the Kraftstoffleitkanals and the end of the second Lucasleitkanals at the nozzle for a tapered respectively converging channel piece with a (in cross section) , Based on the nozzle longitudinal axis of the nozzle main body, in the axial direction inclined extending lateral surface is formed, wherein this lateral surface adjoins a radially outer surface of the Kraftstoffleitkanals.
- an inclined circumferential surface of a subsequent channel piece defines a guide surface on which a (pre-) film (English “prefilm”) can invest in fuel.
- a (pre-) film English “prefilm”
- prefilm a film of fuel
- the lateral surface of the tapered channel piece can create a film of fuel, which is exposed at most small vibration amplitudes at a trailing edge of the Kraftstoffleitkanals, which leads to a homogenization of the supplied amount of fuel and thus ultimately to a more homogeneous droplet distribution of the fuel in the fuel-air Mixture, which is provided at the nozzle exit opening of the nozzle.
- the nozzle outlet opening thus has the surprising advantage that hereby can be avoided transient accumulations of fuel and transient fuel outflows at the end of the Kraftstoffleitkanals.
- a proposed design optimized nozzle can thus provide a continuous spray of fuel and air with a small drop diameter, which in turn contributes to a reduction in the combustion of the combustion chamber resulting pollutants.
- the proposed nozzle is, for example, an air assisted injector.
- a nozzle assembly for a combustion chamber of an engine in which a plurality of similar or even identically designed nozzles side by side, for example, along a circular line next to each other, are arranged.
- Such a nozzle assembly is used, for example, in an annular combustor of a gas turbine engine.
- the channel piece is frusto-conical at the end of the nozzle main body.
- the truncated cone shape of the channel piece has proven to be advantageous for certain nozzle geometries.
- the channel piece tapers in the direction of the nozzle outlet opening by at least 0.1 mm.
- the taper may be limited in the direction of the nozzle outlet opening to a maximum of 4 mm.
- the dimensions and in particular the degree of taper of the channel piece appears relatively low, it has been found that this can be significantly influenced by the provided at the nozzle outlet opening of the nozzle fuel-air mixture.
- the lateral surface of the channel piece is inclined at an angle to the nozzle longitudinal axis, which is smaller than 40 °.
- this angle is in a range of 1 ° to 40 °, in particular in a range of 2 ° to 38 ° or 3 ° to 35 ° or 2 ° to 20 °.
- the (inclination) angle of the lateral surface of the tapered channel piece is in one embodiment, for example in the range of 3 ° to 18 °, in particular in the range of 5 ° to 15 °.
- the channel piece extends with a length of at least 1 mm along the nozzle longitudinal axis.
- a length of the channel piece along the nozzle longitudinal axis of at least 1 mm also entails that the lateral surface of the channel piece has an axial length of at least 1 mm.
- the length of the channel piece is in this case usually chosen so that a spatial decoupling local oscillations, which go back to a discontinuous outflow of the fuel and the two-phase mixture of fuel and air at a radially outer trailing edge of the Kraftstoffleitkanals can be realized.
- the length of the channel piece may in this case vary depending on the respective engine type and thus depend in particular on the amount of fuel to be supplied or on the fuel-air mixture to be supplied.
- a maximum length of the channel piece along the nozzle longitudinal axis below 7 mm is considered advantageous in some embodiments.
- the lateral surface of the channel piece in the region of the end of the Kraftstoffleitkanals offset by a distance in the range of 0.2 mm to one end of a lateral surface of the first air duct radially outward.
- On the channel piece is thus located in the region of the end of the Kraftstoffleitkanals locally a broadening in front of the first air duct.
- An outflow opening of the Kraftstoffleitkanals thus does not extend parallel to the nozzle longitudinal axis, such as in the US 9,423,137 B2 but the Kraftstoffleitkanal goes over at its end in the axially extending and (conically) tapered channel piece over.
- the lateral surface of the channel piece in the region of the end of the second air duct is radially offset to one end of a lateral surface of the first air duct (however, of course, such an offset is not mandatory).
- a larger or smaller diameter than at the end of the first air duct can thus be provided in this variant, a larger or smaller diameter than at the end of the first air duct.
- One end of the channel piece thus protrudes in the first-mentioned variant radially not via a virtual extension of a radially outer end edge of the first air duct inward, while the end of the channel piece in the last-mentioned variant just beyond such a virtual extension extends radially inward.
- a diameter of the channel piece is set such that a diameter of the channel piece, for example, is always greater than a diameter of an upstream first Heilleitkanals the nozzle at the end of the Kraftstoffleitkanals or at least at the end of the channel piece can also be smaller.
- the lateral surface of the channel piece in the region of the end of the second air duct is offset by a distance of at most 1 mm to one end of a lateral surface of the first air duct radially outward.
- the lateral surface of the channel piece in the region of the end of the second air duct is offset by a distance of a maximum of 0.1 mm radially inwardly to one end of a lateral surface of the first air duct (26).
- the channel piece at its widest point in the region of the end of the Kraftstoffleitkanals a 0.4 mm larger diameter than the first air duct at the end of the Kraftstoffleitkanals, So at the point where the Kraftstoffleitkanal opens into the first air duct.
- the diameter of the channel piece can, of course, at its widest point but also be smaller by a smaller amount than the diameter of the first air duct at the end of the Kraftstoffleitkanals. In a variant, it would even be conceivable that the diameter of the channel piece at its widest point corresponds to the diameter of the first air duct at the end of the fuel duct.
- the channel piece at its narrowest point in the region of the end of the second air duct has a maximum of 2 mm, in particular a maximum of 1.4 mm larger and / or a maximum of 0.2 mm smaller diameter than the first air duct at the end of the fuel duct.
- the duct piece in the first-mentioned variant also has a larger diameter at its rear end, relative to the flow direction of the air, the fuel or the fuel-air mixture, than the first air duct at the end of the fuel duct, here a diameter larger by at least 0.2 mm.
- the channel piece at its narrowest point in the region of the end of the second air duct has a diameter which is at least 0.2 mm larger than the first air duct at the end of the fuel duct.
- the channel piece tapers or converges over its length so much that the channel piece in the region of the end of the second air duct and thus at its narrowest point at the end has a diameter which is equal to or smaller than the diameter of the first air duct at the end of the Kraftstoffleitkanals.
- the lateral surface of the channel piece in the region of the Kraftstoffleitkanals is offset by a distance ⁇ r 1 to one end of a lateral surface of the first Lucasleitkanals radially outward and the channel piece extends with a length x PF along the nozzle longitudinal axis of the nozzle main body and in this case: x PF ⁇ 2 .delta..sub.R 1 ,
- x PF ⁇ 3 ⁇ r 1 may also apply.
- the length x PF is, for example, greater than or equal to 2 mm and the radial distance ⁇ r 1 ⁇ 1 mm, in particular ⁇ 0 , 8 mm and, for example, ⁇ 0.665 mm.
- the radially outer surface of the Kraftstoffleitkanals goes over a rounding in the inclined circumferential surface of the channel piece.
- a continuous and edge-free transition between the radially outer surface of the fuel guide and the lateral surface of the adjoining channel piece can further support the temporally and spatially uniform fuel delivery and fuel injection.
- the (convex) rounding at the transition between the radially outer circumferential surface of the fuel guide and the inclined surface of the duct piece has a maximum radius of 8 mm. In one embodiment, the rounding has a maximum radius of 2 mm.
- a concave curve can be provided on a radially inner circumferential surface of the fuel guide channel, via which an obliquely radially inwardly pointing section of the radially inner circumferential surface merges into an axially extending section of the radially inner circumferential surface.
- a convex curve may be formed on the radially outer jacket face opposite. This opposite rounding of the radially outer lateral surface then has, as indicated above, for example, a maximum radius of 8 mm and thus allows a smoother transition of Kraftstoffleitkanals to the tapered channel piece.
- a concave curve on the radially inner jacket surface of the fuel guide channel has, for example, a maximum radius of 15 mm, in particular of, for example, a maximum of 10 mm, 8 mm, 5 mm or 2 mm.
- a sharp-edged transition is formed at the end of the fuel guide channel between a jacket surface of the first air guide channel and an inner jacket surface of the fuel guide channel.
- a wall portion of the nozzle main body on the one hand, the inner (radially inner) lateral surface of the Kraftstoffleitkanals and on the other hand forms the (radially outer) lateral surface of the first Gutleitkanals, tapered to an edge at the end of the Kraftstoffleitkanals and the first Heilleitkanals ,
- a sharp-edged transition between the lateral surface of the channel piece and an inner circumferential surface of the second air channel may be formed to avoid local backflow at the end of the tapered channel piece.
- a wall portion of the nozzle main body which on the one hand forms the lateral surface of the channel piece and on the other hand, the radially inner circumferential surface of the second air duct, formed tapering in the direction of the nozzle outlet opening. A sharp edge at the end of the channel piece at the transition to an outflow opening of the second air duct is thus the result here.
- the proposed solution also includes a nozzle assembly having a plurality of identically shaped nozzles, each forming a tapered channel piece between the end of a Kraftstoffleitkanals and the end of a second air duct on a nozzle in the region of the nozzle outlet opening of the respective nozzle. Furthermore, an engine with at least one such nozzle or nozzle group is included.
- FIG. 2A illustrates schematically and in section a (turbofan) engine T, in which the individual engine components along a rotational axis or center axis M are arranged one behind the other and the engine T is designed as a turbofan engine.
- a fan F At an inlet or intake E of the engine T, air is sucked in along an entrance direction by means of a fan F.
- This arranged in a fan housing FC fan F is driven by a rotor shaft S, which is rotated by a turbine TT of the engine T in rotation.
- the turbine TT adjoins a compressor V, which has, for example, a low-pressure compressor 11 and a high-pressure compressor 12, and possibly also a medium-pressure compressor.
- the fan F leads on the one hand in a primary air flow F1 to the compressor V air and on the other hand, to generate the thrust in a secondary air flow F2 a secondary flow channel or bypass channel B.
- the bypass channel B extends around a compressor V and the turbine TT comprehensive core engine, the a primary flow channel for the supplied through the fan F to the core engine air.
- the air conveyed into the primary flow passage via the compressor V enters a combustion chamber section BK of the core engine in which the driving power for driving the turbine TT is generated.
- the turbine TT has a high-pressure turbine 13, a medium-pressure turbine 14 and a low-pressure turbine 15.
- the turbine TT thereby drives the rotor shaft S and thus the fan F via the energy released during combustion in order to generate the required thrust via the air conveyed into the bypass duct B.
- Both the air from the bypass passage B and the exhaust gases from the primary flow passage of the core engine flow through an outlet A at the end of the engine T.
- the outlet A in this case usually has a discharge nozzle with a centrally arranged outlet cone C.
- FIG. 2B shows a longitudinal section through the combustion chamber section BK of the engine T. It can be seen in particular in a (ring) combustion chamber 3 of the engine T.
- a nozzle assembly is provided for injecting fuel or an air-fuel mixture into a combustion chamber 30 of the combustion chamber 3.
- This comprises a combustion chamber ring R, on which along a circular line around the central axis M a plurality of (fuel / injection) nozzles 2 are arranged.
- the nozzle outlet openings of the respective nozzles 2 are provided on the combustion chamber ring R, which lie within the combustion chamber 3.
- Each nozzle 2 in this case comprises a flange, via which a nozzle 2 is screwed to an outer housing G of the combustion chamber 3.
- the Figure 2C now shows in a cross-sectional view of the basic structure of a nozzle 2 and the surrounding components of the engine T in the installed state of the nozzle 2.
- the nozzle 2 is in this case part of a combustion chamber system of the engine T.
- the nozzle 2 is located downstream of a diffuser D and is during assembly through an access hole L through a combustion chamber head 31, through a heat shield 300 and a top plate 310 of the combustion chamber 3 to the combustion chamber 30 of the combustion chamber 3, so that a nozzle main body 20 formed on the nozzle outlet opening extends into the combustion chamber 30.
- the nozzle 2 further comprises a nozzle stem 21 extending substantially radially with respect to the center axis M and housing a fuel supply line 210 which delivers fuel to the nozzle main body 20.
- On the nozzle main body 20 there are further formed a fuel chamber 22, fuel passages 220, heat shields 23, and air chambers for isolation 23a and 23b.
- the nozzle main body 20 forms a (first) inner air duct 26 running centrally along a nozzle longitudinal axis DM and radially further outward therefrom (second and third) outer air ducts 27a and 27b.
- These air guide channels 26, 27 a and 27 b extend in the direction of the nozzle outlet opening of the nozzle 2.
- At least one fuel guide channel 25 is formed on the nozzle main body 20.
- This Kraftstoffleitkanal 25 is located between the first inner air duct 26 and the second outer air duct 27 a.
- outer air guide channels 27a and 27b are usually provided Verdralletti for twisting the air supplied thereto (see. FIG. 1 ). Furthermore, the nozzle main body 20 at the end of the third outer air duct 27b still an outer, radially inwardly pointing air guide 41. To seal the nozzle 2 to the combustion chamber 30 toward the nozzle main body 20 is still circumferentially a sealing element 28 is provided. This seal member 28 forms a counterpart to a so-called burner seal 4. This burner seal 4 is floating between the heat shield 300 and the top plate 310 mounted to compensate for different operating conditions radial and axial movements between the nozzle 2 and the combustion chamber 3 and to ensure a reliable seal ,
- the burner seal 4 usually has a flow guide element 40 to the combustion chamber 30.
- This flow guide 40 in conjunction with the third outer air duct 41 at the nozzle 2 for a desired flow guidance of the fuel-air mixture from the nozzle 2, more precisely the twisted air from the air ducts 26, 27 a and 27 b and the Kraftstoffleitkanal 25, arises.
- nozzle 2 is formed between the end of the Kraftstoffleitkanals 25 and the end of the second air duct 27a on the nozzle 2, a tapered channel piece 9 with a inclined surface extending in the axial direction 292b.
- the inclined circumferential surface 292b of the channel piece 9 in this case adjoins a radially outer jacket surface 291b of the fuel guide channel 25.
- the lateral surfaces 291b and 292b in this case extend at an angle greater than 10 ° to each other in order to define a pre-film or "pre-film" surface extending in the direction of the nozzle outlet opening for the conditioning of the fuel via the lateral surface 292b adjoining the fuel guide channel 25.
- the Kraftstoffleitkanal 25 thus passes into the channel piece 9, which tapers in the direction of the nozzle outlet opening and thus to an end of the second radially outer air duct 27a or converges in the direction of the nozzle outlet opening.
- the Kraftstoffleitkanal 25 is in this case formed at the end of the nozzle 2 with a radially inwardly angled channel portion 251.
- This angled duct section 251 adjoins a substantially parallel to the nozzle longitudinal axis DM extending channel portion 250 of the Kraftstoffleitkanals 25, which corresponds to the cross-sectional view of Figure 1A is bounded by parallel to each other inner and outer lateral surfaces 290a and 290b.
- the (consistently) larger diameter of the channel piece 9 with respect to the diameter of the inner, first air duct 26 results from a radial offset of the outer surface 292b of the channel piece 9 to one end of the lateral surface of the first Gutleitkanals 26.
- the Kraftstoffleitkanal 25 is thus not completely out to the diameter of the first air duct 26.
- the diameter of the channel piece 9 at its widest point in the region of the end of the Kraftstoffleitkanals 25 is rather by a distance 2 ⁇ r 1 greater than a diameter 2r inside the first Lucasleitkanals 26 at the end of the Kraftstoffleitkanals 25.
- the lateral surface 292b of the channel piece 9 is thus in the range End of the Kraftstoffleitkanals 25 offset by a distance ⁇ r 1 to one end of the lateral surface of the first air duct 26 radially outward.
- the distance ⁇ r 1 is less than 0.8 mm, in particular less than 0.665 mm.
- the distance ⁇ r 1 can be at least 0.2 mm and a maximum of 2 mm. In principle, however, ⁇ r 1 can also be less than 0.2 mm or even zero.
- the channel piece 9 tapers in the direction of the nozzle outlet opening. In this case, however, an offset to the end of the first air duct 26 is maintained.
- the lateral surface 292b of the channel piece 9 is also radially in the region of the end of the second air duct 27b and thus at the (rear, downstream) end of the channel piece 9 by a distance ⁇ r 2 (with 0 ⁇ ⁇ r 2 ⁇ r 1 ) to the lateral surface of the first Air duct 26 offset. Accordingly, although the circumferential surface 292b of the channel piece 9 extends radially inward, it does not extend beyond a virtual extension of a radially outer terminating edge of the first air duct 26.
- FIG Figure 1A The virtual extension of the radially outer terminating edge of the first air duct 26 is shown in FIG Figure 1A represented by a reference axis RF.
- the diameter of the channel piece 9 is thus always larger than the diameter of the first air duct 26 at the end of the Kraftstoffleitkanals 25.
- a distance ⁇ r 2 is at least 0.1 mm, in particular 0.2 mm.
- the taper of the channel piece 9 is further selected so that the lateral surface 292 b of the channel piece 29 extends at an angle ⁇ ⁇ 40 ° to the nozzle longitudinal axis DM.
- a steady flow of fuel to the nozzle outlet opening can be achieved during operation.
- a spatial decoupling of local oscillations due to a discontinuous outflow of fuel and to a two-phase mixture of fuel and air at a radially outer trailing edge of the fuel guide 25 can be avoided. Unsteady fuel accumulations and fuel outflows at the end of the Kraftstoffleitkanals 25 are also avoided.
- the fuel is conveyed more uniformly over the then serving as a guide surface for a film on fuel jacket surface 292 b of the channel piece 9, resulting in a more homogeneous distribution of fuel droplets in the fuel-air mixture at the Nozzle outlet opening results.
- a resultant temporally continuous spray with a small fuel droplet diameter then in turn leads to the reduction of pollutants arising during combustion in the combustion chamber 30.
- the length x PF can be limited to a maximum of 7 mm, for example. For example, x PF ⁇ 3 ⁇ r 1 .
- the distances ⁇ r 1 and ⁇ r 2 and the length x PF can also be chosen differently, in particular as a function of a given mass flow of fuel at certain predetermined operating points of the engine T and the diameter 2r inside the inner first air duct 26.
- the length in x PF should be so long that spatially local unsteady effects due to the outflow of fuel from the Kraftstoffleitkanal 25 are separated from a multi-phase flow at a (Zerstäuber-) edge e II .
- This edge e II is formed at a transition of the lateral surface 292 b of the channel piece 9 and a radially inner circumferential surface of the second outer air duct 27 a.
- the edge e II is further designed as acute as possible in order to avoid local backflow at the tapered end of the channel piece 9.
- a wall portion 29b of the nozzle main body 2 which on the one hand forms the lateral surface of the channel piece 9 and on the other hand the radially inner circumferential surface of the second air duct 27a, thus runs to the edge e II , pointed at the end of the channel piece 9 and the second air duct 27a. In this way, a sharp-edged transition is formed between the lateral surface 292b of the channel piece 9 and the inner circumferential surface of the second air duct 27a.
- a sharp-edged transition between the lateral surface of the first air duct 26 and the inner circumferential surface 291 a of the Kraftstoffleitkanals 25 is formed to prevent backflow at the end of the Kraftstoffleitkanals 25.
- a wall section 29a of the nozzle main body 2 which on the one hand forms the inner jacket surface 291a of the fuel guide channel 25 and on the other side the jacket surface of the first air guide channel 26, thus also runs to an edge e I at the end of the fuel guide channel 25 and the first air guide channel 26 pointed.
- the (end) edge e II can also be located radially further inwards with respect to the radially inner (terminating) edge e 1 of the fuel guide channel 25, so that a value for ⁇ r 2 can be "negative", ie, inside the outer applies, wherein 2 r outer corresponds to the diameter of the channel piece 9 at its nozzle outlet end (at the edge e II ).
- FIG. 1B illustrated development of the embodiment of the Figure 1A joins the angled duct section 251 of the fuel guide 25 downstream of a (end) portion of the Kraftstoffleitkanals 25, which extends axially in the direction of the nozzle outlet opening.
- a concave curve is provided on the radially inner circumferential surface 291a of the fuel guide channel 25, via which the angled and thus obliquely radially inwardly facing portion of the radially inner circumferential surface merges into an axially extending section.
- the concave curvature has a radius R Duct of a maximum of 15 mm and opposes the convex curvature on the radially outer surface 291b of radius R PFO .
- An axial length I of the axially extending, radially inner end portion of the Kraftstoffleitkanals 25 corresponds to this example, only a fraction of the length x PF . For example, this length I is less than 0.5 x PF .
- the radius R PFO can vary depending on the size of the rounding on the radially inner circumferential surface 291 a and in particular the associated axial length of the axially extending (and tapered at the end up to the edge e I ) radially inner end portion of the Kraftstoffleitkanals 25 , In an existing axially extending radially inner end portion of the Kraftstoffleitkanals 25 and a present for the transition concave rounding with radius R duct , where 0 ⁇ R duct ⁇ 15 mm, the radius R PFO the convex curvature lies on the radially outer surface 291b at a maximum of 8 mm.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse für eine Brennkammer (3) eines Triebwerks (T) zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches an einer Düsenaustrittsöffnung der Düse (2). Die Düse (2) umfasst einen die Düsenaustrittsöffnung aufweisenden Düsenhauptkörper (20), der sich entlang einer Düsenlängsachse (DM) erstreckt, wobei der Düsenhauptkörper (20) wenigstens einen ersten Luftleitkanal (26), einen Kraftstoffleitkanal (25) und einen weiteren, radial weiter außen liegenden, zweiten Luftleitkanal (27a) aufweist. Ein Ende des Kraftstoffleitkanals (25), an dem Kraftstoff aus dem Kraftstoffleitkanal (25) in Richtung der Luft aus dem ersten Luftleitkanal (26) ausströmt, liegt bezogen auf die Düsenlängsachse (DM) und in Richtung der Düsenaustrittsöffnung vor dem Ende des zweiten Luftleitkanals (27a), aus dem Luft aus dem zweiten Luftleitkanal (27a) in Richtung eines Gemisches aus Luft aus dem ersten Luftleitkanal (26) und Kraftstoff aus dem Kraftstoffleitkanal (25) ausströmt.The present invention relates to a nozzle for a combustion chamber (3) of an engine (T) for providing a fuel-air mixture at a nozzle outlet opening of the nozzle (2). The nozzle (2) comprises a nozzle main body (20) having the nozzle exit opening extending along a nozzle longitudinal axis (DM), the nozzle main body (20) having at least one first air guide channel (26), one fuel guide channel (25) and another radially further having outer, second air duct (27a). One end of the Kraftstoffleitkanals (25) at the fuel from the Kraftstoffleitkanal (25) in the direction of the air from the first air duct (26) flows, based on the nozzle longitudinal axis (DM) and in the direction of the nozzle outlet opening in front of the end of the second Luftleitkanals ( 27a) from which air flows out of the second air duct (27a) in the direction of a mixture of air from the first air duct (26) and fuel from the fuel duct (25).
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Ende des Kraftstoffleitkanals (25) und dem Ende des zweiten Luftleitkanals (27a) an der Düse (2) ein sich verjüngendes Kanalstück (9) mit einer, bezogen auf die Düsenlängsachse (DM), in axialer Richtung geneigt verlaufender Mantelfläche (292b) ausgebildet, die sich an eine radial äußere Mantelfläche (291b) des Kraftstoffleitkanals (25) anschließt. According to the invention, between the end of the fuel guide channel (25) and the end of the second air guide channel (27a) on the nozzle (2) there is a tapered channel piece (9) with a lateral surface inclined relative to the nozzle longitudinal axis (DM) in the axial direction (FIG. 292b) is formed, which adjoins a radially outer circumferential surface (291b) of the Kraftstoffleitkanals (25).
Description
Die Erfindung betrifft eine Düse für eine Brennkammer eines Triebwerks zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches an einer Düsenaustrittsöffnung der Düse.The invention relates to a nozzle for a combustion chamber of an engine for providing a fuel-air mixture at a nozzle outlet opening of the nozzle.
Eine (Einspritz-) Düse für eine Brennkammer eines Triebwerks, insbesondere für eine Ringbrennkammer eines Gasturbinentriebwerks umfasst einen die Düsenaustrittsöffnung aufweisenden Düsenhauptkörper, der neben einem Kraftstoffleitkanal zur Förderung von Kraftstoff an die Düsenaustrittsöffnung mehrere (mindestens zwei) Luftleitkanäle zur Förderung von mit dem Kraftstoff zu vermischender Luft an die Düsenaustrittsöffnung aufweist. Eine Düse dient üblicherweise auch zum Verdrallen der zugeführten Luft, die dann, mit dem zugeführten Kraftstoff gemischt, an der Düsenaustrittsöffnung der Düse in die Brennkammer gefördert wird. Mehrere Düsen sind beispielsweise in einer Düsenbaugruppe zusammengefasst, die mehrere nebeneinander, üblicherweise entlang einer Kreislinie angeordnete Düsen zur Einbringung von Kraftstoff in die Brennkammer umfasst.An (injection) nozzle for a combustion chamber of an engine, in particular for a ring combustion chamber of a gas turbine engine comprises a nozzle main body having the nozzle outlet opening, in addition to a Kraftstoffleitkanal for conveying fuel to the nozzle outlet opening more (at least two) Luftleitkanäle for conveying to be mixed with the fuel Having air at the nozzle exit opening. A nozzle usually also serves to distort the supplied air, which is then, mixed with the supplied fuel, conveyed to the nozzle outlet opening of the nozzle in the combustion chamber. For example, a plurality of nozzles are combined in a nozzle assembly that includes a plurality of nozzles arranged side by side, usually along a circular line, for introducing fuel into the combustion chamber.
Aus dem Stand der Technik, zum Beispiel der
Für den Ablauf der Verbrennung in einem Brennraum der Brennkammer des Triebwerks ist die Düsengestaltung von entscheidender Bedeutung, da hierüber vorgegeben wird, mit welcher (lokalen) Verteilung der Kraftstoff in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum gelangt. Grundsätzlich ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, dass der Kraftstoff tröpfchenförmig homogen in dem erzeugten Kraftstoff-Luft-Gemisch verteilt ist.For the course of the combustion in a combustion chamber of the combustion chamber of the engine, the nozzle design is of crucial importance, because it specifies with which (local) distribution of the fuel in the fuel-air mixture enters the combustion chamber. In principle, it is advantageous in this context that the fuel is distributed in a droplet-like manner homogeneously in the generated fuel-air mixture.
Es besteht vor diesem Hintergrund die Aufgabe, eine Düse in dieser Hinsicht weiter zu verbessern.It is against this background the task of further improving a nozzle in this regard.
In diesem Zusammenhang ist eine Düse vorgeschlagen, die wenigstens einen ersten und einen zweiten Luftleitkanal sowie einen Kraftstoffleitkanal aufweist und bei der zwischen dem Ende des Kraftstoffleitkanals und dem Ende des zweiten Luftleitkanals an der Düse ein sich für verjüngendes respektive konvergierendes Kanalstück mit einer (im Querschnitt), bezogen auf die Düsenlängsachse des Düsenhauptkörpers, in axialer Richtung geneigt verlaufender Mantelfläche ausgebildet ist, wobei sich diese Mantelfläche an eine radial äußere Mantelfläche des Kraftstoffleitkanals anschließt.In this context, a nozzle is proposed which has at least a first and a second air duct and a Kraftstoffleitkanal and at the between the end of the Kraftstoffleitkanals and the end of the second Luftleitkanals at the nozzle for a tapered respectively converging channel piece with a (in cross section) , Based on the nozzle longitudinal axis of the nozzle main body, in the axial direction inclined extending lateral surface is formed, wherein this lateral surface adjoins a radially outer surface of the Kraftstoffleitkanals.
So hat sich gezeigt, dass eine geneigt verlaufende Mantelfläche eines anschließenden Kanalstücks eine Leitfläche definiert, an der sich ein (Vor-) Film (englisch "prefilm") an Kraftstoff anlegen kann. Über die Geometrie des sich verjüngenden Kanalstückes lassen sich unstetige Kraftstoffströme vermeiden. Ferner kann sich an der Mantelfläche des sich verjüngenden Kanalstücks ein Film aus Kraftstoff anlegen, der allenfalls kleinen Schwingungsamplituden an einer Abströmkante des Kraftstoffleitkanals ausgesetzt ist, was zu einer Vergleichmäßigung der zugeführten Kraftstoffmenge führt und damit letztlich zu einer homogeneren Tröpfchenverteilung des Kraftstoffs in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, das an der Düsenaustrittsöffnung der Düse bereitgestellt wird. Die sich verjüngende Kontur des Kanalstücks in Richtung des Endes des zweiten Luftleitkanals und damit in Richtung der Düsenaustrittsöffnung hat damit den überraschenden Vorteil, dass sich hiermit instationäre Kraftstoffansammlungen und instationäre Kraftstoffabströmungen am Ende des Kraftstoffleitkanals vermeiden lassen. Eine wie vorgeschlagen gestaltoptimierte Düse kann damit ein zeitlich kontinuierliches Spray aus Kraftstoff und Luft mit geringem Tropfendurchmesser bereitstellen, was wiederum zu einer Absenkung der bei der Verbrennung im Brennraum entstehenden Schadstoffe beiträgt.Thus, it has been shown that an inclined circumferential surface of a subsequent channel piece defines a guide surface on which a (pre-) film (English "prefilm") can invest in fuel. About the geometry of the tapered channel piece can be unsteady fuel flows avoided. Further, on the lateral surface of the tapered channel piece can create a film of fuel, which is exposed at most small vibration amplitudes at a trailing edge of the Kraftstoffleitkanals, which leads to a homogenization of the supplied amount of fuel and thus ultimately to a more homogeneous droplet distribution of the fuel in the fuel-air Mixture, which is provided at the nozzle exit opening of the nozzle. The tapered contour of the channel piece in the direction of the end of the second air duct and thus in the direction The nozzle outlet opening thus has the surprising advantage that hereby can be avoided transient accumulations of fuel and transient fuel outflows at the end of the Kraftstoffleitkanals. A proposed design optimized nozzle can thus provide a continuous spray of fuel and air with a small drop diameter, which in turn contributes to a reduction in the combustion of the combustion chamber resulting pollutants.
Bei der vorgeschlagenen Düse handelt es sich zum Beispiel um eine luftunterstützte Einspritzdüse.The proposed nozzle is, for example, an air assisted injector.
Mit der vorgeschlagenen Düse kann selbstverständlich auch eine Düsenbaugruppe für eine Brennkammer eines Triebwerks bereitgestellt werden, bei der mehrere gleichartig oder sogar identisch ausgestaltete Düsen nebeneinander, zum Beispiel entlang einer Kreislinie nebeneinander, angeordnet sind. Eine solche Düsenbaugruppe findet beispielsweise in einer Ringbrennkammer eines Gasturbinentriebwerks Verwendung.With the proposed nozzle, of course, a nozzle assembly for a combustion chamber of an engine can be provided in which a plurality of similar or even identically designed nozzles side by side, for example, along a circular line next to each other, are arranged. Such a nozzle assembly is used, for example, in an annular combustor of a gas turbine engine.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Kanalstück am Ende des Düsenhauptkörpers kegelstumpfförmig ausgebildet. Die Kegelstumpfform des Kanalstücks hat sich dabei bei bestimmten Düsengeometrien als vorteilhaft erwiesen.In one embodiment, the channel piece is frusto-conical at the end of the nozzle main body. The truncated cone shape of the channel piece has proven to be advantageous for certain nozzle geometries.
In einem Ausführungsbeispiel ist mit Blick auf die Erzielung einer homogenen Kraftstofftröpfchen-Verteilung vorgesehen, dass sich das Kanalstück in Richtung der Düsenaustrittsöffnung um wenigstens 0,1 mm verjüngt. Alternativ oder ergänzend kann die Verjüngung in Richtung der Düsenaustrittsöffnung auf maximal 4 mm begrenzt sein. Gleichwohl damit die Abmessungen und insbesondere der Grad der Verjüngung des Kanalstücks relativ gering erscheint, hat sich jedoch gezeigt, dass hiermit das an der Düsenaustrittsöffnung der Düse bereitgestellte Kraftstoff-Luft-Gemisch signifikant beeinflusst werden kann.In one embodiment, with a view to achieving a homogeneous distribution of fuel droplets, it is provided that the channel piece tapers in the direction of the nozzle outlet opening by at least 0.1 mm. Alternatively or additionally, the taper may be limited in the direction of the nozzle outlet opening to a maximum of 4 mm. However, so that the dimensions and in particular the degree of taper of the channel piece appears relatively low, it has been found that this can be significantly influenced by the provided at the nozzle outlet opening of the nozzle fuel-air mixture.
In einem Ausführungsbeispiel verläuft die Mantelfläche des Kanalstücks unter einem Winkel zu der Düsenlängsachse geneigt, der kleiner als 40° ist. Beispielsweise liegt dieser Winkel in einem Bereich von 1° bis 40°, insbesondere in einem Bereich von 2° bis 38° oder 3° bis 35° oder 2° bis 20°. Der (Neigungs-) Winkel der Mantelfläche des sich verjüngenden Kanalstücks liegt in einem Ausführungsbeispiel z.B. im Bereich von 3° bis 18°, insbesondere im Bereich von 5° bis 15°.In one embodiment, the lateral surface of the channel piece is inclined at an angle to the nozzle longitudinal axis, which is smaller than 40 °. For example, this angle is in a range of 1 ° to 40 °, in particular in a range of 2 ° to 38 ° or 3 ° to 35 ° or 2 ° to 20 °. The (inclination) angle of the lateral surface of the tapered channel piece is in one embodiment, for example in the range of 3 ° to 18 °, in particular in the range of 5 ° to 15 °.
In einer Ausführungsvariante erstreckt sich das Kanalstück mit einer Länge von wenigstens 1 mm entlang der Düsenlängsachse. Eine Länge des Kanalstücks entlang der Düsenlängsachse von wenigstens 1 mm bringt beispielsweise auch mit sich, dass die Mantelfläche des Kanalstücks eine axiale Länge von wenigstens 1 mm aufweist. Die Länge des Kanalstücks ist hierbei üblicherweise so gewählt, dass eine räumliche Entkopplung lokaler Schwingungen, die auf ein unstetiges Ausströmen des Kraftstoffs und des zweiphasigen Gemischs aus Kraftstoff und Luft an einer radial äußeren Abströmkante des Kraftstoffleitkanals zurückgehen, realisiert werden kann. Die Länge des Kanalstücks kann hierbei in Abhängigkeit des jeweiligen Triebwerkstyps variieren und damit insbesondere von der Menge an bereitzustellendem Kraftstoff respektive an bereitzustellendem Kraftstoff-Luft-Gemisch abhängen. Eine maximale Länge des Kanalstücks entlang der Düsenlängsachse unterhalb von 7 mm wird in einigen Ausführungsvarianten als vorteilhaft erachtet.In one embodiment, the channel piece extends with a length of at least 1 mm along the nozzle longitudinal axis. A length of the channel piece along the nozzle longitudinal axis of at least 1 mm, for example, also entails that the lateral surface of the channel piece has an axial length of at least 1 mm. The length of the channel piece is in this case usually chosen so that a spatial decoupling local oscillations, which go back to a discontinuous outflow of the fuel and the two-phase mixture of fuel and air at a radially outer trailing edge of the Kraftstoffleitkanals can be realized. The length of the channel piece may in this case vary depending on the respective engine type and thus depend in particular on the amount of fuel to be supplied or on the fuel-air mixture to be supplied. A maximum length of the channel piece along the nozzle longitudinal axis below 7 mm is considered advantageous in some embodiments.
In einer Ausführungsvariante ist die Mantelfläche des Kanalstücks im Bereich des Endes des Kraftstoffleitkanals um einen Abstand im Bereich von 0,2 mm zu einem Ende einer Mantelfläche des ersten Luftleitkanals radial nach außen versetzt. Über das Kanalstück liegt somit im Bereich des Endes des Kraftstoffleitkanals lokal eine Verbreiterung gegenüber dem ersten Luftleitkanal vor. So vergrößert sich beispielsweise am Ende des Kraftstoffleitkanals ein für den ausströmenden Kraftstoff und die aus dem ersten Luftleitkanal stammende Luft zur Verfügung stehende Kanaldurchmesser um 2 x 0,2 mm = 0,4 mm. Eine Ausströmöffnung des Kraftstoffleitkanals erstreckt sich somit nicht parallel zur Düsenlängsachse, wie zum Beispiel in der
Alternativ oder ergänzend ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass die Mantelfläche des Kanalstücks im Bereich des Endes des zweiten Luftleitkanals zu einem Ende einer Mantelfläche des ersten Luftleitkanals radial versetzt ist (gleichwohl selbstverständlich ein solcher Versatz nicht zwingend ist). An einem bezogen auf die Düsenaustrittsöffnung hinteren Ende des Kanalstücks kann somit in dieser Variante ein größerer oder kleinerer Durchmesser vorgesehen als am Ende des ersten Luftleitkanals. Ein Ende des Kanalstücks ragt somit in der zuerst genannten Variante radial nicht über eine virtuelle Verlängerung einer radial äußeren Abschlusskante des ersten Luftleitkanals nach innen, während das Ende des Kanalstück in der zuletzt genannten Variante gerade über eine solche virtuelle Verlängerung hinweg radial nach innen ragt.. In Kombination mit der vorstehend erläuterten Variante eines radialen Vorsatzes am Beginn des sich verjüngenden Kanalstücks (im Bereich des Endes des Kraftstoffleitkanals) ist derart vorgegeben, dass ein Durchmesser des Kanalstücks zum Beispiel stets größer ist als ein Durchmesser eines stromauf liegenden ersten Luftleitkanals der Düse am Ende des Kraftstoffleitkanals oder zumindest am Ende des Kanalstücks auch kleiner sein kann.Alternatively or additionally, it is provided in one embodiment that the lateral surface of the channel piece in the region of the end of the second air duct is radially offset to one end of a lateral surface of the first air duct (however, of course, such an offset is not mandatory). At one with respect to the nozzle outlet opening rear end of the channel piece can thus be provided in this variant, a larger or smaller diameter than at the end of the first air duct. One end of the channel piece thus protrudes in the first-mentioned variant radially not via a virtual extension of a radially outer end edge of the first air duct inward, while the end of the channel piece in the last-mentioned variant just beyond such a virtual extension extends radially inward. In combination with the above-described variant of a radial attachment at the beginning of tapered channel piece (in the region of the end of the Kraftstoffleitkanals) is set such that a diameter of the channel piece, for example, is always greater than a diameter of an upstream first Luftleitkanals the nozzle at the end of the Kraftstoffleitkanals or at least at the end of the channel piece can also be smaller.
In einer möglichen Weiterbildung ist die Mantelfläche des Kanalstücks im Bereich des Endes des zweiten Luftleitkanals um einen Abstand von maximal 1 mm zu einem Ende einer Mantelfläche des ersten Luftleitkanals radial nach außen versetzt. Alternativ oder ergänzend ist die Mantelfläche des Kanalstücks im Bereich des Endes des zweiten Luftleitkanals um einen Abstand von maximal 0,1 mm radial nach innen zu einem Ende einer Mantelfläche des ersten Luftleitkanals (26) versetzt.In a possible development, the lateral surface of the channel piece in the region of the end of the second air duct is offset by a distance of at most 1 mm to one end of a lateral surface of the first air duct radially outward. Alternatively or additionally, the lateral surface of the channel piece in the region of the end of the second air duct is offset by a distance of a maximum of 0.1 mm radially inwardly to one end of a lateral surface of the first air duct (26).
Insbesondere auf Basis der vorstehend erläuterten Kanalgeometrien an dem sich verjüngenden Kanalstück kann in einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass das Kanalstück an seiner breitesten Stelle im Bereich des Endes des Kraftstoffleitkanals einen um 0,4 mm größeren Durchmesser aufweist als der erste Luftleitkanal am Ende des Kraftstoffleitkanals, also an derjenigen Stelle, an der der Kraftstoffleitkanal in den ersten Luftleitkanal mündet. Der Durchmesser des Kanalstücks kann hierbei an seiner breitesten Stelle aber selbstverständlich auch um ein kleineres Maß größer sein als der Durchmesser des ersten Luftleitkanals am Ende des Kraftstoffleitkanals. In einer Variante wäre sogar denkbar, dass der Durchmesser des Kanalstücks an seiner breitesten Stelle dem Durchmesser des ersten Luftleitkanals am Ende des Kraftstoffleitkanals entspricht.In particular, on the basis of the above-described channel geometries on the tapered channel piece can be provided in an embodiment that the channel piece at its widest point in the region of the end of the Kraftstoffleitkanals a 0.4 mm larger diameter than the first air duct at the end of the Kraftstoffleitkanals, So at the point where the Kraftstoffleitkanal opens into the first air duct. The diameter of the channel piece can, of course, at its widest point but also be smaller by a smaller amount than the diameter of the first air duct at the end of the Kraftstoffleitkanals. In a variant, it would even be conceivable that the diameter of the channel piece at its widest point corresponds to the diameter of the first air duct at the end of the fuel duct.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Kanalstück an seiner schmalsten Stelle im Bereich des Endes des zweiten Luftleitkanals einen maximal 2 mm, insbesondere maximal 1,4 mm größeren und/oder maximal 0,2 mm kleineren Durchmesser aufweist als der erste Luftleitkanal am Ende des Kraftstoffleitkanals. Wie zuvor bereits erläutert, weist das Kanalstück in der zuerst genannten Variante auch an seinem, bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft, des Kraftstoffs respektive des Kraftstoff-Luft-Gemisches, hinteren Ende noch einen größeren Durchmesser auf als der erste Luftleitkanal am Ende des Kraftstoffleitkanals, hier einen um wenigstens 0,2 mm größeren Durchmesser. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, das Kanalstück an seiner schmalsten Stelle im Bereich des Endes des zweiten Luftleitkanals einen wenigstens 0,2 mm größeren Durchmesser aufweist als der erste Luftleitkanal am Ende des Kraftstoffleitkanals. In der anderen genannten Variante verjüngt sich bzw. konvergiert das Kanalstück über seine Länge so stark, dass das Kanalstück im Bereich des Endes des zweiten Luftleitkanals und damit endseitig an seiner schmalsten Stelle einen Durchmesser aufweist, der gleich dem oder kleiner ist als der Durchmesser des ersten Luftleitkanals am Ende des Kraftstoffleitkanals ist.Alternatively or additionally, it can be provided that the channel piece at its narrowest point in the region of the end of the second air duct has a maximum of 2 mm, in particular a maximum of 1.4 mm larger and / or a maximum of 0.2 mm smaller diameter than the first air duct at the end of the fuel duct. As already explained above, the duct piece in the first-mentioned variant also has a larger diameter at its rear end, relative to the flow direction of the air, the fuel or the fuel-air mixture, than the first air duct at the end of the fuel duct, here a diameter larger by at least 0.2 mm. For example, it can be provided that the channel piece at its narrowest point in the region of the end of the second air duct has a diameter which is at least 0.2 mm larger than the first air duct at the end of the fuel duct. In the other variant mentioned, the channel piece tapers or converges over its length so much that the channel piece in the region of the end of the second air duct and thus at its narrowest point at the end has a diameter which is equal to or smaller than the diameter of the first air duct at the end of the Kraftstoffleitkanals.
Mit Blick auf die Vermeidung instationärer Kraftstoffansammlungen und Kraftstoffabströmungen am Ende des Kraftstoffleitkanals kann die Vorgabe eines bestimmten Verhältnisses zwischen die Geometrie des Kanalstücks definierenden Parametern von Vorteil sein. Beispielsweise ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass die Mantelfläche des Kanalstücks im Bereich des Kraftstoffleitkanals um einen Abstand Δr1 zu einem Ende einer Mantelfläche des ersten Luftleitkanals radial nach außen versetzt ist und sich das Kanalstück mit einer Länge xPF entlang der Düsenlängsachse des Düsenhauptkörpers erstreckt und hierbei dann gilt:
In einer Weiterbildung kann ferner xPF ≥ 3 Δr1 gelten.In a further development, x PF ≥ 3 Δr 1 may also apply.
Insbesondere für xPF ≥ 2 Δr1 oder xPF ≥ 3 Δr1 kann weiterhin, wie vorstehend bereits erläutert, gelten, dass die Länge xPF beispielsweise größer oder gleich 2 mm ist und der radiale Abstand Δr1 < 1 mm, insbesondere ≤ 0,8 mm und z.B. ≤ 0,665 mm ist.In particular, for x PF ≥ 2 Δr 1 or x PF ≥ 3 Δr 1 , as already explained above, the length x PF is, for example, greater than or equal to 2 mm and the radial distance Δr 1 <1 mm, in particular ≤ 0 , 8 mm and, for example, ≤ 0.665 mm.
In einem Ausführungsbeispiel geht die radial äußere Mantelfläche des Kraftstoffleitkanals über eine Rundung in die geneigt verlaufende Mantelfläche des Kanalstücks über. Ein stetiger und kantenfreier Übergang zwischen der radial äußeren Mantelfläche des Kraftstoffleitkanals und der Mantelfläche des sich anschließenden Kanalstücks kann die zeitlich und räumlich gleichmäßige Kraftstoffabgabe respektive Kraftstoffeinspritzung weiter unterstützen. Beispielsweise weist die (konvexe) Rundung am Übergang zwischen radial äußerer Mantelfläche des Kraftstoffleitkanals und der geneigt verlaufenden Mantelfläche des Kanalstücks einen Radius von maximal 8 mm auf. In einer Ausführungsvariante weist die Rundung einen Radius von maximal 2 mm auf.In one embodiment, the radially outer surface of the Kraftstoffleitkanals goes over a rounding in the inclined circumferential surface of the channel piece. A continuous and edge-free transition between the radially outer surface of the fuel guide and the lateral surface of the adjoining channel piece can further support the temporally and spatially uniform fuel delivery and fuel injection. For example, the (convex) rounding at the transition between the radially outer circumferential surface of the fuel guide and the inclined surface of the duct piece has a maximum radius of 8 mm. In one embodiment, the rounding has a maximum radius of 2 mm.
In einer Ausführungsvariante kann an einer radial inneren Mantelfläche des Kraftstoffleitkanals eine konkave Rundung vorgesehen sein, über die ein schräg radial nach innen weisender Abschnitt der radial inneren Mantelfläche in einen axial verlaufenden Abschnitt der radial inneren Mantelfläche übergeht. Insbesondere in einer solchen Ausführungsvariante, in der sich ein Ende des radial innenliegender Randes des Kraftstoffleitkanals noch axial erstreckt, kann gegenüberliegend eine konvexe Rundung an der radial äußeren Mantelfläche ausgebildet sein. Diese gegenüberliegende Rundung der radial äußeren Mantelfläche weist dann, wie vorstehend angegeben, z.B. einen Radius von maximal 8 mm auf und ermöglicht damit eine weicheren Übergang des Kraftstoffleitkanals zu dem sich verjüngenden Kanalstück. Eine konkave Rundung an der radial inneren Mantelfläche des Kraftstoffleitkanals weist beispielsweise einen Radius von maximal 15 mm auf, insbesondere z.B. von maximal 10 mm, 8 mm, 5 mm oder 2 mm.In a variant embodiment, a concave curve can be provided on a radially inner circumferential surface of the fuel guide channel, via which an obliquely radially inwardly pointing section of the radially inner circumferential surface merges into an axially extending section of the radially inner circumferential surface. In particular, in such an embodiment variant in which one end of the radially inner edge of the fuel guide channel still extends axially, a convex curve may be formed on the radially outer jacket face opposite. This opposite rounding of the radially outer lateral surface then has, as indicated above, for example, a maximum radius of 8 mm and thus allows a smoother transition of Kraftstoffleitkanals to the tapered channel piece. A concave curve on the radially inner jacket surface of the fuel guide channel has, for example, a maximum radius of 15 mm, in particular of, for example, a maximum of 10 mm, 8 mm, 5 mm or 2 mm.
Zur Vermeidung lokaler Rückströmungen ist in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass an dem Ende des Kraftstoffleitkanals zwischen einer Mantelfläche des ersten Luftleitkanals und einer inneren Mantelfläche des Kraftstoffleitkanals ein scharfkantiger Übergang ausgebildet ist. Hier ist dann folglich beispielsweise ein Wandabschnitt des Düsenhauptkörpers, der einerseits die innere (radial innen liegende) Mantelfläche des Kraftstoffleitkanals und andererseits die (radial äußere) Mantelfläche des ersten Luftleitkanals ausbildet, zu einer Kante am Ende des Kraftstoffleitkanals und des ersten Luftleitkanals spitz zulaufend ausgebildet ist.To avoid local backflows, it is provided in one exemplary embodiment that a sharp-edged transition is formed at the end of the fuel guide channel between a jacket surface of the first air guide channel and an inner jacket surface of the fuel guide channel. Here is then, for example, then a wall portion of the nozzle main body, on the one hand, the inner (radially inner) lateral surface of the Kraftstoffleitkanals and on the other hand forms the (radially outer) lateral surface of the first Luftleitkanals, tapered to an edge at the end of the Kraftstoffleitkanals and the first Luftleitkanals ,
Alternativ oder ergänzend kann zur Vermeidung lokaler Rückströmungen am Ende des sich verjüngenden Kanalstücks ein scharfkantiger Übergang zwischen der Mantelfläche des Kanalstücks und einer inneren Mantelfläche des zweiten Luftkanals ausgebildet sein. Analog kann hier ein Wandabschnitt des Düsenhauptkörpers, der einerseits die Mantelfläche des Kanalstücks und andererseits die radial innere Mantelfläche des zweiten Luftleitkanals ausbildet, in Richtung der Düsenaustrittsöffnung spitz zulaufend ausgebildet sein. Eine scharfe Kante am Ende des Kanalstücks am Übergang zu einer Ausströmöffnung des zweiten Luftleitkanals ist hier somit die Folge.Alternatively or additionally, a sharp-edged transition between the lateral surface of the channel piece and an inner circumferential surface of the second air channel may be formed to avoid local backflow at the end of the tapered channel piece. Similarly, here a wall portion of the nozzle main body, which on the one hand forms the lateral surface of the channel piece and on the other hand, the radially inner circumferential surface of the second air duct, formed tapering in the direction of the nozzle outlet opening. A sharp edge at the end of the channel piece at the transition to an outflow opening of the second air duct is thus the result here.
Die vorgeschlagene Lösung umfasst ferner auch eine Düsenbaugruppe mit mehreren identisch ausgebildeten Düsen, die jeweils ein sich verjüngendes Kanalstück zwischen dem Ende eines Kraftstoffleitkanals und dem Ende eines zweiten Luftleitkanals an einer Düse im Bereich der Düsenaustrittsöffnung der jeweiligen Düse ausbilden. Ferner ist auch ein Triebwerk mit mindestens einer solchen Düse oder einer solchen Düsengruppe umfasst.The proposed solution also includes a nozzle assembly having a plurality of identically shaped nozzles, each forming a tapered channel piece between the end of a Kraftstoffleitkanals and the end of a second air duct on a nozzle in the region of the nozzle outlet opening of the respective nozzle. Furthermore, an engine with at least one such nozzle or nozzle group is included.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.The attached figures illustrate by way of example possible embodiments of the proposed solution.
- Figur 1AFigure 1A
- in vergrößertem Maßstab und ausschnittsweise den Bereich an einer Düsenaustrittsöffnung eine Düse mit einem sich konisch verjüngenden Kanalstück zwischen dem Ende eines Kraftstoffleitkanals und einem Ende eines zweiten Luftleitkanals der Düse zur Vermeidung instationärer Kraftstoffansammlungen und Kraftstoffabströmungen am Ende des Kraftstoffleitkanals;on an enlarged scale and in sections the area at a nozzle outlet opening a nozzle with a tapered channel piece between the end of a Kraftstoffleitkanals and one end of a second Luftleitkanals the nozzle to avoid unsteady fuel accumulation and fuel outflows at the end of the Kraftstoffleitkanals;
- Figur 1BFIG. 1B
-
in mit der
Figur 1A übereinstimmender Ansicht eine mögliche Weiterbildung der Ausführungsvariante derFigur 1A ;in with theFigure 1A coincident view of a possible development of the embodiment of theFigure 1A ; - Figur 1CFigure 1C
-
eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung einer Weiterbildung des Kanalstücks der
Figur 1A ;a detail enlarged view of a development of the channel piece ofFigure 1A ; - Figur 2AFIG. 2A
-
ein Triebwerk, in dem eine Brennkammer mit einer Düse entsprechend der
Figur 1 zum Einsatz kommt;an engine in which a combustion chamber with a nozzle according to theFIG. 1 is used; - Figur 2BFIG. 2B
-
ausschnittsweise und in vergrößertem Maßstab die Brennkammer des Triebwerks der
Figur 2A ;fragmentary and on an enlarged scale the combustion chamber of the engineFIG. 2A ; - Figur 2CFigure 2C
-
in Querschnittsansicht den grundsätzlichen Aufbau der Düse der
Figur 1 und die umliegenden Komponenten des Triebwerks im eingebauten Zustand der Düse.in cross-sectional view of the basic structure of the nozzle ofFIG. 1 and the surrounding components of the engine in the installed state of the nozzle.
Die
Die über den Verdichter V in den Primärstromkanal geförderte Luft gelangt in einen Brennkammerabschnitt BK des Kerntriebwerks, in dem die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine TT erzeugt wird. Die Turbine TT weist hierfür eine Hochdruckturbine 13, eine Mitteldruckturbine 14 und einen Niederdruckturbine 15 auf. Die Turbine TT treibt dabei über die bei der Verbrennung frei werdende Energie die Rotorwelle S und damit den Fan F an, um über die die in den Bypasskanal B geförderte Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Sowohl die Luft aus dem Bypasskanal B als auch die Abgase aus dem Primärstromkanal des Kerntriebwerks strömen über einen Auslass A am Ende des Triebwerks T aus. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse mit einem zentral angeordneten Austrittskonus C auf.The air conveyed into the primary flow passage via the compressor V enters a combustion chamber section BK of the core engine in which the driving power for driving the turbine TT is generated. For this purpose, the turbine TT has a high-
Die
Zusätzlich bildet der Düsenhauptkörper 20 einen mittig entlang einer Düsenlängsachse DM verlaufenden (ersten) inneren Luftleitkanal 26 und hierzu radial weiter außen liegende (zweite und dritte) äußere Luftleitkanäle 27a und 27b aus. Diese Luftleitkanäle 26, 27a und 27b erstrecken sich in Richtung der Düsenaustrittsöffnung der Düse 2.In addition, the nozzle
Des Weiteren ist noch wenigstens ein Kraftstoffleitkanal 25 an dem Düsenhauptkörper 20 ausgebildet. Dieser Kraftstoffleitkanal 25 liegt zwischen dem ersten inneren Luftleitkanal 26 und dem zweiten äußeren Luftleitkanal 27a. Das Ende des Kraftstoffleitkanals 25, über den im Betrieb der Düse 2 Kraftstoff in Richtung der Luft aus dem ersten inneren Luftleitkanal 26 ausströmt, liegt, bezogen auf die Düsenlängsachse DM und in Richtung der Düsenaustrittsöffnung, vor einem Ende des zweiten Luftleitkanals 27a, aus dem Luft aus dem zweiten, äußeren Luftleitkanal 27a in Richtung eines Gemisches aus Luft aus dem ersten, inneren Luftleitkanal 26 und Kraftstoff aus dem Kraftstoffleitkanal 25 ausströmt.Furthermore, at least one
In den äußeren Luftleitkanälen 27a und 27b sind üblicherweise Verdrallelemente zum Verdrallen der hierüber zugeführten Luft vorgesehen (vgl.
Die Brennerdichtung 4 weist üblicherweise ein Strömungsleitelement 40 zum Brennraum 30 auf. Dieses Strömungsleitelement 40 sorgt in Verbindung mit dem dritten äußeren Luftleitkanal 41 an der Düse 2 für eine gewollte Strömungsführung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, das aus der Düse 2, genauer der verdrallten Luft aus den Luftleitkanälen 26, 27a und 27b sowie dem Kraftstoffleitkanal 25, entsteht.The
Bei der Düse 2 der
Bei einer in der
Der Kraftstoffleitkanal 25 ist hierbei am Ende der Düse 2 mit einem radial nach innen abgewinkelten Kanalabschnitt 251 ausgebildet. Dieser abgewinkelte Kanalabschnitt 251 schließt sich an einen im Wesentlichen parallel zur Düsenlängsachse DM verlaufenden Kanalabschnitt 250 des Kraftstoffleitkanals 25 an, der entsprechend der Querschnittsansicht der
Der (durchweg) größere Durchmesser des Kanalstücks 9 gegenüber dem Durchmesser des inneren, ersten Luftleitkanals 26 ergibt sich durch einen radialen Versatz der äußeren Mantelfläche 292b des Kanalstücks 9 zu einem Ende der Mantelfläche des ersten Luftleitkanals 26. Der Kraftstoffleitkanal 25 ist somit nicht vollständig bis auf den Durchmesser des ersten Luftleitkanals 26 geführt. Der Durchmesser des Kanalstücks 9 an seiner breitesten Stelle im Bereich des Endes des Kraftstoffleitkanals 25 ist vielmehr um einen Abstand 2Δr1 größer als ein Durchmesser 2rinner des ersten Luftleitkanals 26 am Ende des Kraftstoffleitkanals 25. Die Mantelfläche 292b des Kanalstücks 9 ist somit im Bereich des Endes des Kraftstoffleitkanals 25 um einen Abstand Δr1 zu einem Ende der Mantelfläche des ersten Luftleitkanals 26 radial nach außen versetzt. In der dargestellten Ausführungsvariante beträgt der Abstand Δr1 weniger als 0,8 mm, insbesondere weniger als 0,665 mm. Z.B. kann der Abstand Δr1 wenigstens 0,2 mm und maximal 2 mm betragen. Grundsätzlich kann Δr1 aber auch kleiner als 0,2 mm oder sogar null sein.The (consistently) larger diameter of the
Über eine Länge xPF verjüngt sich das Kanalstück 9 in Richtung der Düsenaustrittsöffnung. Hierbei bleibt jedoch ein Versatz zu dem Ende des ersten Luftleitkanals 26 erhalten. Die Mantelfläche 292b des Kanalstücks 9 ist auch im Bereich des Endes des zweiten Luftleitkanals 27b und damit am (hinteren, stromab liegenden) Ende des Kanalstücks 9 radial um einen Abstand Δr2 (mit 0 ≤ Δr2 < Δr1)zu der Mantelfläche des ersten Luftleitkanals 26 versetzt. Dementsprechend erstreckt sich die Mantelfläche 292b des Kanalstücks 9 zwar radial nach innen, jedoch nicht über eine virtuelle Verlängerung einer radial äußeren Abschlusskante des ersten Luftleitkanals 26. Die virtuelle Verlängerung der radial äußeren Abschlusskante des ersten Luftleitkanals 26 ist dabei in der
Die Verjüngung des Kanalstücks 9 ist ferner so gewählt, dass die Mantelfläche 292b des Kanalstücks 29 unter einem Winkel α ≤ 40° zur Düsenlängsachse DM verläuft. Über eine solche Verjüngung über eine Länge von xPF von wenigstens 1 mm, insbesondere von wenigstens 2 mm, kann im Betrieb ein stetiger Strom an Kraftstoff zu der Düsenaustrittsöffnung erreicht werden. Ferner lässt sich ein räumliche Entkoppelung lokaler Schwingungen aufgrund eines unstetigen Ausströmens an Kraftstoff und an zweiphasigem Gemisch aus Kraftstoff und Luft an einer radial äußeren Abströmkante des Kraftstoffleitkanals 25 vermeiden. Instationäre Kraftstoffansammlungen und Kraftstoffabströmungen am Ende des Kraftstoffleitkanals 25 werden ebenfalls vermieden. Der Kraftstoff wird über die dann als Leitfläche für einen Film an Kraftstoff dienende Mantelfläche 292b des Kanalstücks 9 gleichmäßiger gefördert, wodurch sich eine homogenere Kraftstofftröpfchen-Verteilung in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Düsenaustrittsöffnung ergibt. Ein sich dadurch ergebendes zeitlich kontinuierliches Spray mit geringem Kraftstofftropfen-Durchmesser führt dann wiederum zur Absenkung von bei der Verbrennung im Brennraum 30 entstehender Schadstoffe. Die Länge xPF kann beispielsweise auf maximal 7 mm begrenzt sein. Beispielsweise gilt xPF ≥ 3 Δr1.The taper of the
In Abweichung von der in der
Ebenso ist zur Vermeidung von Rückströmungen am Ende des Kraftstoffleitkanals 25 ein scharfkantiger Übergang zwischen der Mantelfläche des ersten Luftleitkanals 26 und der inneren Mantelfläche 291a des Kraftstoffleitkanals 25 ausgebildet. Ein Wandabschnitt 29a des Düsenhauptkörpers 2, der einerseits die innere Mantelfläche 291a des Kraftstoffleitkanals 25 und andererseits die Mantelfläche des ersten Luftleitkanals 26 ausbildet, läuft hier somit ebenfalls zu einer Kante eI am Ende des Kraftstoffleitkanals 25 und des ersten Luftleitkanals 26 spitz zu.Likewise, a sharp-edged transition between the lateral surface of the
Im Übrigen ist es selbstverständlich nicht zwingend, dass das Ende der Mantelfläche 292b des Kanalstücks 9 und mithin die (Abschluss-) Kante eII bezüglich der Referenzachse RF radial außen liegt. Die (Abschluss-) Kante eII kann in einer Ausführungsvariante auch bezüglich der radial inneren (Abschluss-) Kante eI des Kraftstoffleitkanals 25 radial weiter innen liegen, sodass ein Wert für Δr2 "negativ" sein kann, also rinner > router gilt, wobei 2 router dem Durchmesser des Kanalstücks 9 an dessen düsenaustrittsseitigen Ende (an der Kante eII) entspricht. Beispielsweise ist in einer solchen Ausführungsvariante die Geometrie im Bereich des Kanalstücks 9 entsprechend der ausschnittsweise vergrößerten Darstellung der
Bei einer in der
Der Radius RPFO kann in Abhängigkeit von der Größe der Rundung an der radial inneren Mantelfläche 291a und insbesondere der damit einhergehenden axialen Länge des sich axial erstreckenden (und am Ende bis zu der Kante eI spitz zulaufenden) radial innen liegenden Endabschnitts des Kraftstoffleitkanals 25 variieren. Bei einem vorhandenen sich axial erstreckenden radial innen liegenden Endabschnitt des Kraftstoffleitkanals 25 und einer für den Übergang vorhandenen konkaven Rundung mit Radius RDuct, wobei 0 < RDuct ≤15 mm gilt, liegt der Radius RPFO der konvexen Rundung an der radial äußeren Mantelfläche 291b bei maximal 8 mm.The radius R PFO can vary depending on the size of the rounding on the radially inner
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- NiederdruckverdichterLow-pressure compressor
- 1212
- HochdruckverdichterHigh-pressure compressors
- 1313
- HochdruckturbineHigh-pressure turbine
- 1414
- MitteldruckturbineIntermediate pressure turbine
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- NiederdruckturbineLow-pressure turbine
- 22
- Düsejet
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- DüsenhauptkörperNozzle main body
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- Stammtribe
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- KraftstoffzuleitungFuel supply
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- KraftstoffpassageFuel passage
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- Kanalabschnittchannel section
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- Dichtungselementsealing element
- 290a, 290b, 291a, 291b290a, 290b, 291a, 291b
- Mantelflächelateral surface
- 292b292b
- Mantelflache / LeitflächeLateral surface / guide surface
- 29a, 29b29a, 29b
- Wandabschnittwall section
- 33
- Brennkammercombustion chamber
- 3030
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- 300300
- Hitzeschildheat shield
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- Brennkammerkopfbulkhead
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- Kopfplatteheadstock
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- BrennerdichtungBrenner seal
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- Strömungsleitelementflow guide
- 4141
- Luftleitelementair guide
- 99
- Kanalstückchannel piece
- AA
- Auslassoutlet
- BB
- Bypasskanalbypass channel
- BKBK
- Brennkammerabschnittcombustor section
- CC
- Auslasskonusoutlet cone
- DD
- Diffusordiffuser
- DMDM
- Düsenlängsachsenozzle axis
- Ee
- Einlass / IntakeInlet / Intake
- eII, eII e II , e II
- Kanteedge
- FF
- Fanfan
- F1, F2F1, F2
- Fluidstromfluid flow
- FCFC
- Fangehäusefan casing
- GG
- Außengehäuseouter casing
- LL
- Zugangslochaccess hole
- II
- Längelength
- MM
- Mittelachse / RotationsachseCentral axis / rotation axis
- RR
- Brennkammerringcombustion chamber ring
- RFRF
- Referenzachsereference axis
- rinner, router r inner , r outer
- Radiusradius
- RDuct, RPFO R Duct , R PFO
- Radiusradius
- SS
- Rotorwellerotor shaft
- TT
- (Turbofan-)Triebwerk(Turbofan) engine
- TTTT
- Turbineturbine
- VV
- Verdichtercompressor
- xPF x PF
- Längelength
- Δr1, Δr2 Δr 1 , Δr 2
- Abstanddistance
- αα
- Winkelcorner
Claims (15)
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Ende des Kraftstoffleitkanals (25) und dem Ende des zweiten Luftleitkanals (27a) an der Düse (2) ein sich verjüngendes Kanalstück (9) mit einer, bezogen auf die Düsenlängsachse (DM), in axialer Richtung geneigt verlaufender Mantelfläche (292b) ausgebildet ist, die sich an eine radial äußere Mantelfläche (291b) des Kraftstoffleitkanals (25) anschließt.A nozzle for a combustion chamber (3) of an engine (T) for providing a fuel-air mixture at a nozzle exit opening of the nozzle (2), wherein the nozzle (2) comprises a nozzle main body (20) having the nozzle exit opening extending along a nozzle longitudinal axis (DM), and the nozzle main body (20) further comprises at least the following:
characterized in that
between the end of the Kraftstoffleitkanals (25) and the end of the second air duct (27a) on the nozzle (2) has a tapered channel piece (9) with respect to the nozzle longitudinal axis (DM), inclined in the axial direction extending lateral surface (292b) is formed, which adjoins a radially outer circumferential surface (291b) of the Kraftstoffleitkanals (25).
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