DE-102024132232-A1 - Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer und Triebwerk

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer (28), insbesondere eines Triebwerks eines Flugzeugs, mit einem entlang einer Düsenlängsachse (M) ausgerichteten Düsenhauptkörper (10), in welchem angeordnet sind: - zumindest ein auf der und/oder um die Düsenlängsachse (M) verlaufender, erster Luftkanal (14), - zumindest ein radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den ersten Luftkanal (14) angeordneter Kraftstoffkanal (16), der einen axial-radial in Strömungsrichtung in Richtung Düsenlängsachse (M) verlaufenden, stromabseitigen Endabschnitt (162) aufweist, und - zumindest ein radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den Kraftstoffkanal (16) angeordneter zweiter Luftkanal (121), wobei der Kraftstoffkanal (16) mit einer Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) an einer daran anschließenden, zumindest im Wesentlichen axial ausgerichteten Filmlegerfläche (20) mit einer stromabseitigen Abströmkante (22) mündet, wobei die Filmlegerfläche (20) den ersten Luftkanal (14) stromabseitig umgrenzt. Die Kraftstoffzerstäubung wird dadurch verbessert, dass eine Länge (L) der Filmlegerfläche (20), zwischen der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) und der Abströmkante (22), zwischen einem Faktor 5 und 6, vorzugsweise einen Faktor 5,5, mal einer Höhe (H) des Endabschnitts (162) des Kraftstoffkanals (16) beträgt.

Inventors

• Gregor Christoffer Gebel
• Carsten Clemen
• Thomas Dörr

Assignees

• ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (10)

1. Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer (28), insbesondere eines Triebwerks eines Flugzeugs, mit einem entlang einer Düsenlängsachse (M) ausgerichteten Düsenhauptkörper (10), in welchem angeordnet sind: - zumindest ein auf der und/oder um die Düsenlängsachse (M) verlaufender, erster Luftkanal (14), - zumindest ein radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den ersten Luftkanal (14) angeordneter Kraftstoffkanal (16), der einen axial-radial in Strömungsrichtung in Richtung Düsenlängsachse (M) verlaufenden, stromabseitigen Endabschnitt (162) aufweist, und - zumindest ein radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den Kraftstoffkanal (16) angeordneter zweiter Luftkanal (121), wobei der Kraftstoffkanal (16) mit einer Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) an einer daran anschließenden, zumindest im Wesentlichen axial ausgerichteten Filmlegerfläche (20) mit einer stromabseitigen Abströmkante (22) mündet, wobei die Filmlegerfläche (20) den ersten Luftkanal (14) stromabseitig umgrenzt, dadurch gekennzeichnet , dass eine Länge (L) der Filmlegerfläche (20), zwischen der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) und der Abströmkante (22), zwischen einem Faktor 5 und 6, vorzugsweise einen Faktor 5,5, mal einer Höhe (H) des Endabschnitts (162) des Kraftstoffkanals (16) beträgt.
2. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Filmlegerfläche (20) derart axial-radial in einem Winkel (α) zwischen 5° und 15° gegenüber der Düsenlängsachse (M) geneigt ist, dass sie in Strömungsrichtung in Richtung der Düsenlängsachse (M) verläuft.
3. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der stromabseitige Endabschnitt (162) derart axial-radial in einem Winkel (β) zwischen 25° und 35° gegenüber der Düsenlängsachse (M) geneigt ist, dass er in Strömungsrichtung in Richtung zur Düsenlängsachse (M) verläuft.
4. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Austrittsfläche der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) - orthogonal zu der Düsenlängsachse (M) oder - orthogonal zu einer Mittellängsfläche (E) des Endabschnitts (162) oder - zwischen diesen beiden Ausrichtungen ausgerichtet ist.
5. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass axial auf Position der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) zwischen dem ersten Luftkanal (14) und der Kraftstoff-Austrittsöffnung (24) eine sich radial zwischen einem Innenradius (R i ) und einem Außenradius (R a ) erstreckende, zumindest im Wesentlichen orthogonal zur Düsenlängsachse (M) ausgerichtete, bezüglich der Filmlegerfläche (20) stromaufseitige Flanke (25) zwischen dem ersten Luftkanal (14) und dem Kraftstoffkanal (16) angeordnet ist, die eine Höhe zwischen 0,15 mm und 0,25 mm aufweist.
6. Düse nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass die Abströmkante (22) radial zwischen dem Innenradius (R i ) und dem Außenradius (R a ) positioniert ist.
7. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass axial auf Position der Abströmkante (22) eine zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der Düsenlängsachse (M) ausgerichtete, bezüglich der Filmlegerfläche (20) stromabseitige Flanke (23) angeordnet ist, welche eine Höhe bis maximal 0,2 mm, z. B. zwischen 0,1 mm und 0,2 mm aufweist.
8. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass radial außen, insbesondere ringförmig umlaufend, um den Kraftstoffkanal (16) zwei radial zueinander versetzte, z.B. zumindest abschnittsweise koaxial zueinander angeordnete, Luftkanäle (121, 122) angeordnet sind, innerhalb welcher vorzugsweise jeweils ein Drallerzeuger (123, 124) angeordnet ist.
9. Düse nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die beiden Luftkanäle (121, 122) jeweils einen stromabseitigen Endabschnitt zur Mündung in die Brennkammer (30) aufweisen, der axial-radial in Richtung der Düsenlängsachse (M) ausgerichtet ist.
10. Triebwerk mit zumindest einer Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer, insbesondere eines Triebwerks eines Flugzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Triebwerk. Eine derartige Düse, die gemäß ihrem Wirkprinzip den Luftstrahlzerstäuberdüsen zugeordnet ist, ist in der DE 10 2017 218 529 A1 angegeben. Dabei sind um einen zentralen Luftkanal ein ringförmiger Kraftstoffkanal und um diesen wiederum zwei radial versetzte, ringförmige Luftleitkanäle vorhanden. Bei Austreten des Kraftstoffes auf die Filmlegerfläche wird der Kraftstofffilm von der vorbeiströmenden Luft des zentralen Luftkanals in Richtung Abströmkante transportiert und nach Abströmen zwischen dem zentralen Luftstrom und einem der äußeren Luftströme in feine Tröpfchen zerstäubt. Eine weitere Düse dieser Art ist aus der US 9 423 137 B2 bekannt. Bei dieser bekannten Düse zur Zugabe von flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer sind mehrere radial versetzte Kraftstoffkanäle vorhanden, über welche Kraftstoff in unterschiedliche Luftkanäle zugegeben wird. Weitere Düsen zur Zufuhr von Luft und flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer sind aus der US 2014/0241871 A1, der US 2020/0141582 A1, der US 2022/0099290 A1, der US 2016/0047315 A1 und der US 2010/0229556 A1 bekannt. Untersuchungen mittels hochaufgelöster Strömungssimulationen haben gezeigt, dass der Abströmvorgang des Kraftstoffes von der Filmlegerfläche, zum Teil periodischen, Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen bestehen zum einen in dem Aufbau und Kollabieren von Kraftstoffwellen infolge der Wechselwirkung mit der überströmenden Luft an der Kraftstoff-Austrittsöffnung. Auf diese Weise können sich beim Verlassen der Abströmkante große flüssige Stromfäden bilden, die weiter stromab zu relativ großen Tropfen zerfallen. Zum anderen ergeben sich Schwankungen aufgrund wellenförmiger Belegung der Filmlegerfläche mit aus der Kraftstoff-Austrittsöffnung austretendem Kraftstoff. Infolge der Schwankungen im Kraftstoffmassenstrom und der resultierenden Tröpfchengrößenverteilung können im Zusammenhang mit der Flammendynamik stehende Druckschwankungen/Thermoakustik auftreten und die Schadstoffbildung innerhalb der Brennkammer negativ beeinflusst werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse für einen stabilen und schadstoffarmen Betrieb einer Brennkammer, sowie ein stabil und schadstoffarm betreibbares Triebwerk bereitzustellen. Die Erfindung wird für die Düse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Triebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bei der Düse ist vorgesehen, dass eine Länge der Filmlegerfläche, zwischen der Kraftstoff-Austrittsöffnung und der Abströmkante, einen Faktor 5 bis 6, vorzugsweise einen Faktor 5,5, mal einer Höhe des Endabschnitts des Kraftstoffkanals beträgt. Der Kraftstoffkanal ist vorzugsweise zumindest innerhalb des Endabschnitts ringförmig umlaufend ausgebildet. Als Höhe wird vorliegend der (ggf. maximale) Abstand zwischen einer radial innenseitigen Wandfläche und einer radial außenseitigen Wandfläche des Endabschnittes bezeichnet, der sich orthogonal zu einer mittig zwischen diesen beiden Wandungen verlaufenden Mittellängsfläche ergibt. Die Höhe innerhalb des Endabschnittes ist in Strömungsrichtung vorzugsweise zumindest im Wesentlichen (beispielsweise abgesehen von Übergangsabschnitten, wie nach Übergang des Kraftstoffkanals von dem axialen Abschnitt in den Endabschnitt) konstant. Die Düse ist insbesondere zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei die Länge der Filmlegerfläche unter Bildung einer um die Düsenlängsachse umlaufenden Ringfläche vorzugsweise konstant ist. Die Filmlegerfläche ist, vorzugsweise vollständig, angrenzend an den ersten Luftkanal, zur Überströmung mit einem durch den ersten Luftkanal strömenden Luftstrom, angeordnet. Die vergleichsweise lange Filmlegerfläche ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Impulsübertragung der Luftströmung innerhalb des ersten Luftkanals auf den Kraftstofffilm. Der Kraftstofffilm wird stärker beschleunigt und erreicht die Abströmkante mit höherer (auf den Düsenkörper bezogener) Strömungsgeschwindigkeit. Bei Erreichen der Abströmkante weist der Kraftstofffilm eine geringere radiale Dicke auf. Dies trägt zur Bildung der kleineren Kraftstoffligamente bei Abreißen des Kraftstoffes von der Abströmkante bei, wodurch eine Akkumulation von Kraftstoff aus dem Gesamtmassenstrom an einer einzelnen Austrittsöffnung reduziert oder verhindert wird. Wellenbildung bzw. Schwankungen im Kraftstoffmassenstrom werden deutlich verringert, was mit einer gleichmäßigeren Verbrennung verbunden mit deutlich erhöhter Stabilität und verringertem Schadstoffausstoß, insbesondere verringerter Rußbildung, einhergeht. Weiterhin wirkt sich positiv auf die Kraftstoffzerstäubung aus, wenn die Filmlegerfläche derart axial-radial in einem (insbesondere konstanten) Winkel zwischen 5° und 15° gegenüber der Düsenlängsachse geneigt ist, dass sie in Strömungsri