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Vorrichtung zur feinverteilten Zuführung einer Flüssigkeit in einen
Gasstrom Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur feinverteilten Zuführung
einer Flüssigkeit in einen in Teilströme aufgeteilten und anschließend wieder vereinigten
Strom eines gasförmigen Strömungsmittels. Es sind bereits Vorrichtungen zum Zuführen,
d. h. Einspritzen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom bekannt, bei denen jedoch
die Flüssigkeitsverteilung lediglich von der Lage der Abspritzbohrungen abhängt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf eine Vorrichtung, bei der bei
einer niedrigen je Zeiteinheit zugeführten Flüssigkeitsmenge die Flüssigkeit nur
in einen Teil des Strömungsquerschnittes und, sobald die zugeführte Flüssigkeitsmenge
ansteigt, in einen fortschreitend größeren Teil des Strömungsquerschnittes eingespritzt
wird.
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Ein Anwendungsgebiet für derartige Vorrichtungen liegt in solchen
Verbrennungseinrichtungen, bei denen flüssiger Brennstoff in einen sich bewegenden
Luftstrom oder andere gasförmige, die Verbrennung unterstützende und in einer Leitung
eingeschlossene Mittel eingespritzt wird. Es ist bei solchen Einrichtungen wünschenswert,
daß bei einem kleinen Mengenverhältnis Brennstoff zu Luft der Brennstoff über einen
bestimmten Teil des Strömungsquerschnittes, normalerweise über einen zentralen Abschnitt
verteilt wird, um eine leicht entzündbare Mischung in diesem Abschnitt herzustellen.
Wenn der Brennstoffzufluß im Verhältnis zur Luftmenge wächst, soll der Brennstoff,
über den Strömungsquerschnitt ansteigend, so breit verteilt werden, daß das örtliche
Brennstoff-Luft-Verhältnis im bestimmten Teil innerhalb der Grenzen für eine leicht
zündfähige Verbrennung verbleibt.
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Wenn solch eine Verbrennungseinrichtung einen Teil einer Antriebsanlage
eines Flugzeuges bildet, die, wie es meist üblich ist, innerhalb eines gewissen
Höhenbereichs mit konstanter Luftstrom-Machzahl in der Leitung arbeitet, bringt
die Aufrechterhaltung eines bestimmten Mengenverhältnisses Brennstoff zu Luft mit
der Höhe Wechsel im Brennstoufluß mit sich, um die Änderung der Luftdichte und Luftgeschwindigkeit
in der Leitung zu kompensieren. Es ist nicht wünschenswert, daß solche Wechsel im
Brennstoffzufluß - die nicht einen Wechsel im Brennstoff-Luft-Verhäknis einschließen
- Wechsel in der Art der Brennstoffverteilung über dem Leitungsquerschnitt zur Folge
haben.
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Es ist bekannt, eine Veränderung der Verteilung durch mechanische
Mittel zu erreichen, indem man beispielsweise über den Gasstrom eine Anzahl Flüssigkeitszuführungsdüsen
mit unter Federspannung stehenden Verschlußgliedern verteilt, die so eingestellt
sind, daß sie sich bei verschiedenen Drücken der Brennstoffzufuhr öffnen, oder indem
man die Geschwindigkeit variiert, mit der die Flüssigkeitsteilchen quer über den
Gasstrom verteilt werden.
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Bei derartigen Anordnungen treten jedoch Flüssigkeitsverteilungen
auf, die wesentlich mit der Höhe wechseln, wenn das Verhältnis vom Flüssigkeitsstrom
zum Gasstrom konstant gehalten wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der beschriebenen Art zu schaffen, die eine Verteilung ergibt, die unter den genannten
Umständen weniger wechselt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur feinverteilten Zuführung
einer Flüssigkeit in einen in Teilströme aufgeteilten und anschließend wieder vereinigten
Gasstrom gelöst, die gekennzeichnet ist durch ein senkrecht zur Gasströmungsrichtung
angeordnetes Hauptrohr, dem die zu verteilende Flüssigkeit zugeführt wird, mit mindestens
zwei in Gasströmungsrichtung angeordneten Querrohren, deren Querschnitt im Schnittpunkt
mit dem Hauptrohr gleich dem Querschnitt des Hauptrohres und deren über das Hauptrohr
beiderseits vorstehende Länge mindestens gleich dem Durchmesser des Hauptrohres
ist.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung ist die Vorrichtung
vorteilhafterweise so ausgeführt, daß mindestens drei Querrohre vorhanden sind und
die zu verteilende Flüssigkeit dem Hauptrohr an beiw den Enden zugeführt wird.
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Die Erfindung wird in den Zeichnungen näher beschrieben; dabei zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Aufriß, teilweise geschnitten und in einer
Endansicht, Fig.4 und 5 typische Kennlinien einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
und Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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In Fig. 1 wird die Richtung des sich bewegenden Stromes des gasförmigen
Strömungsmittels durch die Pfeile 1 angezeigt. Ein Hauptrohr 2 ist senkrecht zum
Strömungsweg angeordnet; es wird von einer Anzahl von parallelen Querrohren geschnitten.
Drei solcher Rohre 3, 4 und 5 sind gezeigt. Weiterhin sind Mittel (nicht dargestellt)
vorgesehen, um diese Querrohre mit der Strömungsrichtung auszurichten. Alle Rohre
sind mit einem kreisförmigen Querschnitt und dem gleichen Durchmesser dargestellt.
An den Schnittpunkten schneiden sich die Achsen der Rohre. Jedes Querrohr 3, 4 und
5 erstreckt sich stromaufwärts und -abwärts vom Hauptrohr 2 auf eine Entfernung
e, die mindestens gleich dem Durchmesser d der Rohre ist.
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Die Flüssigkeit wird an einem Ende des Hauptrohres 2 durch irgendwelche
geeignete Mittel, die in Form einer Pumpe 7 dargestellt sind, zugeführt. Der Durchfluß
wird durch andere geeignete Mittel, die als ein Drosseiklappenventil 8 dargestellt
sind, gesteuert. Es ist festgestellt worden. daß bei anwachsendem Flüssigkeitsstrom
bis zu einer ersten kritischen Grenze die ganze Flüssigkeit aus dem stromabwärtsseitigen
Ende 9 des ersten Querrohres 3 unter Zusatz des gasförmigen Strömungsmittels, das
durch das stromaufwärts gelegene Ende 10 in das Rohr 3 gelangt ist, heraus verteilt
wird und daß, sobald diese Grenze überschritten wird, ein Teil der Flüssigkeit im
Hauptrohr 2 weiterfließt, um dann ähnlich aus dem stromabwärts gelegenen Ende des
nächsten Querrohres 4 heraus verteilt zu werden. Wird ein zweiter kritischer Wert
des Zuflusses erreicht, so tritt die Flüssigkeit aus dem dritten Querrohr 5 aus
usf., so daß die Flüssigkeit in einen anwachsenden größeren Querschnittsteil vom
Gasstrom 1 verteilt wird. Wenn der Zufluß bei einem Versuch, die Verteilung auf
mehr und mehr Querrohre zu erstrecken, ansteigt, wird möglicherweise der Zustand
erreicht, in dem das erste Querrohr voll Brennstoff läuft. Dies ist jedoch kein
wünschenswerter Arbeitszustand, da die Flüssigkeit, die das erste Querrohr verläßt,
dann nicht mehr durch das gasförmige Strömungsmittel, welches durch das Querrohr
strömt, auseinandergerissen und verteilt wird. Obwohl es die Herstellung erleichtert,
wenn man dem Hauptrohr und den Querrohren einen kreisförmigen Querschnitt gibt,
ist dies keine wesentliche Bedingung, die Rohre können vielmehr auch in ovalem Querschnitt
hergestellt werden. Die Rohre brauchen auch nicht durchgehend eine konstante Querschnittsform
oder Gestalt aufzuweisen, jedoch sollte der Durchflußquerschnitt zweier sich schneidender
Rohre im Schnittpunkt der gleiche sein.
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Der Abstand der Querrohre kann entweder gleich oder verschieden sein
und kann so gewählt werden,
daß eine gewünschte Flüssigkeitsverteilung erreicht wird.
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Das Ende des Hauptrohres 2, durch das keine Flüssigkeit strömen soll,
sollte geschlossen oder anderweitig davor geschützt werden, daß der Gasstrom hindurchtritt.
Wahlweise kann, wenn mindestens drei Querrohre vorliegen, Flüssigkeit an beiden
Enden des Hauptrohres zugeführt werden. Wie ein weiteres in Fig. 6 dargestelltes
Ausführungsbeispiel zeigt, können zwei Hauptrohre 21 und 22 in entgegengesetzter
Richtung von einer gemeinsamen Brennstoffleitung 23 ausgehen. Weitere Hauptleitungen
können, wenn es erwünscht ist, mit gleichen oder ungleichen Abständen an die gemeinsame
Brennstoffleitung angeschlossen werden.
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In dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden
das Hauptrohr 2 und die vier Querrohre 3, 4, 5 und 6 durch Bohrungen mit Kreisquerschnitt
in einem massiven säulenartigen Glied 11 gebildet. Dieses Glied 11 ist im wesentlichen
von stromlinienförmigem Querschnitt, um die Bildung turbulenter Strömungswirbel
zu vermeiden. Das säulenartige Glied 11 hat an den Stellen, die durch Querrohre
eingenommen werden, zylindrische Ausbuchtungen 12. An einem Ende hat die Säule 11
eine hohle zylindrische Erweiterung 13, die innen mit einem Gewindel4 versehen ist,
um eine Dosiereinrichtung 15 aufzunehmen. Das Hauptrohr 2 erstreckt sich von der
zylindrischen Kammer bis nahe an das andere Ende der Säule 11, wobei das Ende des
Rohreis 2 geschlossen ist. Die Dosiereinrichtung 15 enthält eine Membran 16 mit
einem Loch 17 in der Mitte und an der stromaufwärtigen Seite des Loches einen Schließkörperl8,
der bezüglich der Membran einstellbar ist. Eine weitere Membran 19 mit gegenüber
der Bohrung 17 seitlich versetzten Bohrungen 20 löst den aus dem Loch 17 ausströmenden
Strahl auf.
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Eine Dosiereinrichtung dieser Art gestattet es, eine annähernd lineare
Durchflußmengencharakteristik zu erreichen, so daß eine gewünschte Veränderung des
Zuflußverhältnisses durch Zuführung von Flüssigkeit in die Dosieranlage unter einem
Druck herbeigeführt werden kann, der der gewünschten sekundlichen Durchflußmenge
proportional ist. Beim Gebrauch wird die Anlage in dem Gas strom so aufgestellt,
daß die Querrohre 3, 4, 5 und 6 nach der Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Bis
zu einem ersten kritischen Zuführungsdruck wird alle Flüssigkeit, die durch die
Dosiereinrichtung 15 geht, aus dem Abflußende des ersten Querrohres 3 heraus zerstäubt,
mit dem gasförmigen Strömungsmittel vermischt, das in das Rohr 3 eintritt. Sobald
der Druck den ersten kritischen Punkt und dann den zweiten und den dritten kritischen
Druck überschreitet, verteilt sich die Flüssigkeit auf die folgenden Querrohre 4,
5 und 6.
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In einem durchgeführten Versuch hat eine Anlage ähnlich jener, die
in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, mit vier Querleitungen mit einem Durchmesser von 4,75
mm, 19 mm lang und 31,7mm voneinander entfernt entlang einem Hauptrohr von ebenfalls
4,75 mm Durchmesser, das in einem Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von 107 mls
bei atmosphärischem Druck aufgestellt war, als erste, zweite und dritte kritische
Flüssigkeitsmenge von 90, 143 und 215 kg/h ergeben. wobei die Vorrichtung mit Treibstofföl
vom spezifischen Gewicht 0,8 gespeist wurde.
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Fig. 4 und 5 zeigen die allgemeinen Kennlinien einer Flüssigkeitsverteilung.
Sie wurden durch Veränderung
der sekundlichen Flüssigkeitsmengen
erhalten. Diese Kennlinien müssen als Annäherung und als ein wenig idealisiert betrachtet
werden, da eine genaue experimentelle Bestimmung dieser Angaben schwer möglich ist.
In Fig. 4 stellen die - Kurven A, B, C, D für progressiv anwachsende sekundliche
Flüssigkeitsmengen die Schwankungen des örtlichen Brennstoffverhältnisses in einer
Vorrichtung nach den Fig. 2 und 3 dar, die in einem Luftstrom konstanter Geschwindigkeit
arbeitet. Die Schwankungen sind über einer Linie aufgetragen, die die Schnittlinie
der Achsenebene der Querrohre mit einer Querebene in kurzer Entfernung stromabwärts
der Rohre ist. Die Punkte 3, 4, 5 und 6 auf der Grundlinie des Diagramms entsprechen
den Punkten auf der Schnittlinie unmittelbar an der Abflußseite der jeweiligen Querrohre
3, 4, 5 und 6.
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Die Kurven zeigt, daß bei dieser Flüssigkeitszuflußgeschwindigkeit
Flüssigkeit nur aus dem ersten Querrohr ausströmt. Der ausgeprägte Buckel der Kurve
zeigt, daß bei der Querebene, die für die Untersuchung gewählt wurde, die größte
Konzentration von Brennstofftröpfchen (größtes Brennstoff-Luft-Verhältnis) unmittelbar
gegenüber dem Querrohr 3 vorhanden ist. Diese reduziert sich nach außen hin bis
zu einer Entfernung, die gleich dem halben Abstand der Querrohre ist, so weit, daß
das Brennstoff-Luft-Verhältnis praktisch gleich Null ist. Mit anderen Worten: Alle
Brennstofftröpfchen vom Rohr 3 würden durch einen Ring mit einem Durchmesser strömen,
der gleich dem Abstand der Querrohre ist und die Achse vom Rohr 3 zum Mittelpunkt
hat. Natürlich hängt der Durchmesser des Ringes, der erforderlich ist, um alle Flüssigkeitströpfchen
zu erfassen, davon ab, wie weit er stromabwärts vom Auslaßende des Rohres 3 liegt.
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Die Kurve B zeigt, daß bei dieser höheren sekundlichen Flüssigkeitsmenge
der Betrag des Ausflusses aus dem Rohr 3 angewachsen ist und daß ebenfalls vom Rohr
4 ein Ausfluß stattfindet. Die Fläche der senkrechten Ebene, die vom Ausfluß aus
dem Rohr 3 eingenommen wird, ist ebenfalls größer geworden, so daß sein Durchmesser
jetzt ungefähr gleich dem doppelten Zwischenraum der Querrohre beträgt und sich
somit ein überlappen der Flächen ergibt, die durch die Ausflüsse der Rohre 3 und
4 gebildet werden. Das Ergebnis davon ist eine Kurve mit zwei Buckeln.
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Bei einer noch höheren Flüssigkeitszufuhr entsprechend der KurveC
gibt auch das dritte Querrohr 5 Flüssigkeit ab. Der Ausfluß vom Rohr 4 hat zugenommen,
während jener von Rohr 3 nachließ. Schließsich, bei einem Verhältnis entsprechend
dem der Kurven, ist der Zustand erreicht, in dem alle Querrohre ungefähr gleich
viel Flüssigkeit abgeben, wobei die Tendenz eines Anwachsens der Ausflußmenge vom
ersten bis zum letzten Rohr in Richtung der Flüssigkeitszufuhr vorliegt.
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Wenn der Gruppe der Querrohre ein Teil oder der ganze Querschnitt
des Luftstromes zugeleitet wird, so daß man sagen kann, daß die Gruppe der Rohre
diesen Luftquerschnitt beaufschlagt, dann kann das Gesamtverhältnis Brennstoff zu
Luft für jede Flüssigkeitszufuhrmenge berechnet werden. In Fig.S sind solche Gesamt-Brennstoff-Luft-Verhältnisse
entsprechend den Kurven A, B, C und D gegen die Lage des Schwerpunktes der in einer
Zeiteinheit ausgeflossenen Brennstofftröpfchen entlang der Schnittlinie aufgezeichnet,
welche die Grundlinie der Fig.4 bildet.
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Da in Fig. 4 die Geschwindigkeit der Luftmenge als
gleichmäßig über
der Luftströmung angenommen ist, ist dieser Schwerpunkt das gleiche wie der Schwerpunkt
eines Körpers, der aus vielen konischen Einzelkörpern aufgebaut ist, wie sie die
Komponenten der » festen « Körper bilden, von denen die Kurven A, B, C und D Querschnitte
sind.
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Die so erhaltenden Schwerpunkte können als Lage eines gleichwertigen
einzelnen Querrohres oder einer anderen Ausflußquelle angesehen werden, wenn sie
entsprechende Ströme bei den verschiedenen sekundlichen Flüssigkeitszufuhrmengen
hervorbringen könnte, die verschiedenen Querrohre grob ersetzen würde. Die ausgezogene
Linie in Fig.S zeigt somit, wie die Lage dieser gleichwertigen Quelle längs der
Schnittlinie aus einer Anfangsstellung bei geringster Flüssigkeitszufuhr gegenüber
dem ersten Querrohr 3 bis zu einer letzten Stellung bei größter Flüssigkeitszufuhr
ein wenig über dem halben Abstand von Rohr 4 zum Rohr 5 fortschreitet.
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Wechsel in der Dichte des Luftstromes bei gleichbleibender Geschwindigkeit
beeinflussen diese Kurve in einem Ausmaße, daß daraus geschätzt werden kann, daß
eine Verdoppelung der Dichte die Kurve annähernd an die gestrichelte Linie (Kurve
F) verschiebt, während eine Halbierung der Dichte die Kurve annähernd zu der strichpunktierten
Linie G verschiebt.
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Wechsel in der Geschwindigkeit der Luftströmung bei konstanter Dichte
rufen einen relativ geringeren Wechsel der Verteilung hervor, als es Wechsel der
Dichte bei konstanter Geschwindigkeit tun würden, d. h., Verdoppeln oder Halbieren
der Geschwindigkeit ruft einen kleineren Wechsel hervor, als er durch die Kurven
F und G in Zeichnung 5 angezeigt ist. Wo die Vorrichtung in einem Luftstrom von
konstanter Machzahl angewandt wird, ist die Wirkung solcher Geschwindigkeitsänderungen,
wie sie in der Praxis anfallen, unbedeutend. Die Vorrichtung arbeitet bei großen
Luftgeschwindigkeiten ebenso vorteilhaft wie bei kleinen.