Dralldüse mit äußerer Führungsrille

Die Erfindung betrifft eine Dralldüse mit äußeren Führungs rillen.

Dralldüsen, wie sie bei Gasturbinen im Öl-Diffusions-Betrieb eingesetzt werden, zeigen bei längerem Betrieb Erosionsbefun de.

In einer Dralldüse wird ein Fluid tangential in eine Drall kammer eingespritzt. Das Fluid zirkuliert in der Drallkammer und verlässt sie über eine konisch zulaufende Fläche zum Aus lass.

Partikel, die schwerer als das Öl sind, bleiben bedingt durch die Zentrifugalkraft auf einem größeren Durchmesser.

Abhängig vom Betriebspunkt stellt sich ein Gleichgewicht zwi schen Strömungskräften und Trägheitskräften bei Partikeln in der Drallkammer ein. Solange dieser Betriebspunkt gehalten wird, zirkulieren die Partikel auf einer Kreisbahn und verur sachen die Erosion, üblicherweise im Bereich der tangentialen Einlassöffnungen oder im mittleren Bereich des Konus.

Diese Erosion wird bei Inspektion per Videoskop bewertet. Bei zu tiefem Verschleiß muss die Düse getauscht werden.

In einigen Fällen ist die Erosion so stark, dass der Betrieb der Maschine eingeschränkt wird und z.B. alle 4.000 EOH Düsen getauscht werden müssen.

Bei stärkerer Erosion (>lmm) ändert sich das Düsenvolumen und der Sprühkegel. Dadurch kann es zu Problemen in der Verbren nung kommen.

Im schlimmsten Fall kann Brennstoff unkontrolliert in die Brennkammer gespritzt werden, was zu einem Zwangsstillstand der Maschine führen kann. Eine Alternative wäre das Härten der Düse, durch z.B. Nitrie ren oder die Verwendung eines härteren Materials.

Aber die Nitrierhärtetiefen liegen bei 0,1-0,2mm und damit Faktor 10 niedriger als der typische Verschleiß.

Damit ist die härtere Schicht schnell durchdrungen und der Verschleiß ginge ungehindert weiter.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Dralldüse gemäß Anspruch

1.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.

Durch die Zentrifugalkraft werden Partikel in der Drallkammer an die Außenfläche gedrückt. Die Trägheit sorgt dafür, dass sie auf dem größten Durchmesser bleiben und sich nicht die konische Fläche Richtung Auslass bewegen. Dem gegenüber ste hen Strömungskräfte, die das Öl Richtung Auslass befördern.

Im stationären Zustand (Grundlastbetrieb) stellt sich für das Partikel ein Gleichgewicht aus Trägheits- und Strömungskräf ten ein, wodurch sich die Partikel in die Außenfläche einar- beiten, da sie häufig die gleiche Stelle passieren.

Eine spiralförmige Führungsrille in der äußeren Fläche im In neren der Düse sorgt dafür, dass dieses Gleichgewicht der Kräfte gestört wird und die Partikel Richtung Auslass geför dert werden. Sie passieren eine Stelle in der Düse nur ein mal.

Die Kontur, Breite, Tiefe, Start- und Endpunkt der Führungs rille sind abhängig vom verwendetem Fluid, Geometrie der Dü se, erwarteter Größe der Erosionspartikel usw. Führungsrillen sorgen dafür, dass Partikel innerhalb von kür zester Zeit aus der Düse befördert werden.

Die Figur 1 zeigt eine Düse aus dem Stand der Technik, wohin gegen Figur 2 bis 6 Ausführungsbeispiele der Erfindung dar stellen.

In Figur 1 ist eine Dralldüse 1' dargestellt, wie sie aus der EP 0604 741 A2 bekannt ist.

Die Dralldrüse 1' zeigt einen Außenkörper 10, von dessen Au ßenseite 12 ausgehend sich eine vorzugsweise als zylindrische Bohrung ausgebildete Düsenaustrittsöffnung 14 in ein Inneres des Außenkörpers 10 hinein erstreckt.

An diese Düsenaustrittsöffnung 14 schließt sich eine im We sentlichen kegelförmig ausgebildete Ausnehmung 16 an, deren Wandflächen die Mantelflachen eines koaxial zur Düsenaus trittsöffnung 14 angeordneten und zu einer Mittelachse 20 rotationssymmetrischen Kegelstumpfes bilden.

In dieser Ausnehmung 16 ist ein Innenkörper 22 insbesondere eingesetzt, welcher einen unteren kreiszylindrischen Bereich 24 aufweist, an welchen sich ein insbesondere kegelstumpfför miger Bereich 26 anschließt, dessen Grundfläche 28 mit der Kreisfläche identisch ist. Dieser kegelstumpfförmige Bereich 26 ist so ausgebildet, dass Mantelflächen 30 desselben Ab schnitts des Kegelmantels sind, auf welchem auch die Wandflä chen 18 der Ausnehmung 16 liegen.

Somit ist der Innenkörper 22 durch einen Kegelsitz form schlüssig in der Ausnehmung 16 gehalten, wobei der Bereich der Wandflächen 18 der Ausnehmung 16, in welchem die Mantel flächen 30 des kegelstumpfförmigen Bereichs 26 des Innenkör pers 22 anliegen, als Kegelsitzflachen 32 der Ausnehmung 16 bezeichnet sind.

Eine der Grundfläche 28 gegenüberliegende und parallel zu dieser ausgerichteten Fläche des kegelstumpfförmigen Bereichs 26 des Innenkörpers 22 erstreckt sich senkrecht zur Mittel achse 20 und bildet einen Drallkammerboden 34.

Ein über diesem Drallkammerboden 34 liegender Bereich der Ausnehmung 16 wird als Drallkammer 36 bezeichnet, wobei die die Drallkammer 36 begrenzenden Wandflächen 18 der Ausnehmung 16 als Drallkammerwände 38 bezeichnet sind.

Ein von der Ausnehmung 16 umschlossener und auf einer der Drallkammer 36 gegenüberliegenden Seite des Innenkörpers 22 angeordneter Raum wird als Druckraum 40 bezeichnet, in wel chem die zum Zerstäuben vorgesehene Flüssigkeit unter Druck gehalten ist.

Von diesem Druckraum 40 führen mehrere Drallkanäle 42 in die Drallkammer 36, wobei diese Drallkanäle 42 vorzugsweise als Einkerbungen in den Mantelflächen 30 ausgebildet sind, die in den Druckraum 40 mit einem rechteckigen und ungefähr quadra tischen Querschnitt im kreiszylindrischen Bereich 24 des In nenkörpers 22 münden und in der Drallkammer 36 im Bereich des Drallkammerbodens 34 und vorzugsweise in einem bezüglich der Mittelachse 20 radial außen liegenden Bereich münden.

Eine Mittellinie jedes Drallkanals 42, zumindest im Bereich einer Mündungsöffnung 46 desselben, im Drallkammerboden 34 weist einen Abstand e von der Mittelachse 20 aufweist und so mit aus der Mündungsöffnung 46 ein Flüssigkeitsstrahl aus- tritt, welcher bei Verlassen der Mündungsöffnung 46 in einer zur Mittelachse 20 parallelen und im Abstand e von dieser verlaufenden Ebene liegt und dabei eine Geschwindigkeitskom ponente parallel zum Drallkammerboden 34 aufweist sowie eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Mittelachse 20. Der Abstand e wird allgemein als Exzentrizität e der Dralldüse bezeichnet .

Somit entsteht in der Drallkammer 36 ein Flüssigkeitswirbel um die Mittelachse 20, in dessen Mitte ein zylinderähnlicher koaxial zur Mittelachse 20 stehender Luftkern stehen bleibt, um welchen der Flüssigkeitswirbel herumströmt, so dass aus der Düsenaustrittsöffnung 14 schließlich ein Flüssigkeits- filmkegel 60 austritt, der von seiner eigenen Instabilität in kleine Flüssigkeitströpfchen zerfällt.

Vorzugsweise weist der Verdrängungskörper 62 keine kegelför mige Spitze auf, sondern einen auf dem zylindrischen Sockel 64 sitzenden Kegelstumpf 88 mit einer dessen Grundfläche 68 gegenüberliegenden und zu dem Drallkammerboden 34 parallelen Frontfläche 90, welche in der Drallkammer 36 liegt und einen Durchmesser aufweist, der größer ist als ein Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung 14. Somit erstreckt sich der Verdrän gungskörper 62 nicht über die gesamte Höhe der Drallkammer 36 von dem Drallkammerboden 34 bis zu einem Übergang 92 der Drallkammerwände 38 in die Düsenaustrittsöffnung 14, sondern endet mit der Frontfläche 90 im Abstand von diesem.

Die Frontfläche 90 kann auch kegelförmig ausgebildet oder je de andere Form aufweisen.

Figur 2 zeigt ausgehend von Figur 1 eine erfindungsgemäße Dralldüse 1, bei der auf der Drallkammerwand 38 zumindest eine Führungsrille 100 vorhanden ist.

Vorzugsweise ist nur eine Führungsrille 100 vorhanden.

Die Führungsrille 100 beginnt vorzugsweise an der Mündungs öffnung 46 eines Drallkanals, kann aber auch woanders begin nen, da Partikel auf Ihrer Kreisbahn zwangsläufig auf eine Führungsrille treffen werden.

Die Führungsrille 100 verläuft durchgehend und spiralförmig bis zum Übergang 92.

Die Führungsrille 10 kann sich vorzugsweise auch bis zur Düsenaustrittsöffnung 14 erstrecken.

In Figur 3 bis 6 sind verschiedene Konturen für die Führungs rille 101 bis 104 offenbart.

Dies kann eine echteckige Vertiefung 101, 102 (Fig 3, 4) sein, die je nach Parametern verschieden tief ausgeführt ist. Ebenso können ovale oder kreisförmige Vertiefungen 103 (Fig 5 vorhanden sein, wobei auch dreieckförmige Vertiefungen 104 möglich sind (Fig 6). Die Düse 1 weist vorzugsweise einen Chrom-Molybdän Stahl auf.