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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2019-0068872, eingereicht am 11. Juni 2019, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Vorrichtungen, die mit beispielhaften Ausführungsformen vereinbar sind, beziehen sich auf einen Verwirbler mit Brennstoffverteilerrohr, auf einen Brenner sowie auf eine damit ausgerüstete Gasturbine und insbesondere auf einen Verwirbler, der durch Entwurf einer Struktur, die eine Erzeugung von Turbulenz des Brennstoffs in einem Brennstoffverteilerrohr, das in dem Verwirbler angeordnet ist, minimiert, eine stabile Einspritzung des Brennstoffs ermöglicht, auf einen Brenner sowie auf eine damit ausgerüstete Gasturbine.
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Beschreibung des verwandten Gebiets
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Eine Gasturbine ist eine Leistungserzeugungsvorrichtung, die Wärmeenergie eines Fluids wie etwa Gas oder Dampf in eine Drehkraft als mechanische Energie umwandelt und die einen Rotor mit mehreren Löffeln, die in der Weise angeordnet sind, dass sie den Rotor durch die Kraft des durch die Löffel strömenden Fluids axial drehen, und ein Gehäuse, das in der Weise eingebaut ist, dass es den Rotor umgibt und mehrere Zwischenböden aufweist, enthält.
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Allgemein enthält eine Gasturbine einen Kompressor, einen Brenner und eine Turbine. Der Kompressor saugt Außenluft an, verdichtet die Luft und überträgt die verdichtete Luft daraufhin zu dem Brenner, in dem die Druckluft zur Verbrennung mit Brennstoff gemischt wird. Das in dem Brenner erzeugte Hochtemperatur- und Hochdruckgas wird verwendet, um durch Drehen von Turbinenrotoren, während es durch die Turbine geht, einen Generator anzutreiben.
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Der Brenner der Gasturbine spritzt Brennstoff in die durch den Kompressor verdichtete Luft ein, um sie für die Verbrennung in einer Brennkammer zu mischen. Wenn das Gemisch aus Luft und Brennstoff der Brennkammer zugeführt wird, ist es wichtig, einen Grad der Mischung der Luft und des Brennstoffs zu erhöhen. Die Verbesserung des Grads der Mischung der Luft und des Brennstoffs verringert eine Verbrennungsschwingung während der Verbrennung in der Brennkammer, was zu einer Verbesserung des Gesamtleistungserzeugungswirkungsgrads der Gasturbine führt.
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Außerdem dient eine stabile Einspritzung von Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzlöcher des Verwirblers dazu, den Grad der Mischung der Luft und des Brennstoffs zu erhöhen. 1 stellt eine Verwirblerstruktur des Standes der Technik dar. Anhand von 1 sind in mehreren hohlen Abschnitten, die in einem Düsenrohr 91 gebildet sind, jeweils rohrförmige Brennstoffdüsen 95 angeordnet, und ist in einer Mitte jeder der Brennstoffdüsen 95 ein Mittelkörper 93 angeordnet, der mit einer Düsenbasis (nicht dargestellt) verbunden ist.
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Außerdem sind zwischen einer Außenoberfläche des Mittelkörpers 93 und einer Innenoberfläche der Brennstoffdüse 95 mehrere Verwirbler 92 in vorgegebenen Abständen beabstandet, um Druckluft zu verwirbeln und einer Brennkammer 97 zuzuführen. Auf einer Oberfläche jedes der Verwirbler 92 sind mehrere Brennstoffeinspritzlöcher 94 angeordnet. Die Brennstoffeinspritzlöcher 94 stehen mit einem Verteilerraum in Verbindung, der mit einem Brennstoffkanal 96 verbunden ist, der in dem Mittelkörper 93 gebildet ist, damit Brennstoff durch den Brennstoffkanal 96 strömt.
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Der durch den Brennstoffkanal 96 eingeleitete Brennstoff strömt in die einzelnen Brennstoffeinspritzlöcher 94 in dem Verteilerraum und wird aus den Verwirblern 92 eingespritzt, um sich mit Druckluft zu mischen.
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Im verwandten Gebiet ist ein Eintrittsabschnitt B des Verteilerraums wegen der Bearbeitung winkelförmig, was einen Zusammenstoß und somit eine schlechte Strömung von Brennstoff verursacht, wenn der Brennstoff durch den Eintrittsabschnitt B geht. Folglich wird in dem Verteilerraum eine Turbulenz C erzeugt, die die stabile Strömung von Brennstoff in die Brennstoffeinspritzlöcher 94 unterbricht und schließlich einen nachteiligen Einfluss auf einen Grad der Mischung von Brennstoff und Luft hat.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Aspekte einer oder mehrerer beispielhafter Ausführungsformen schaffen einen Verwirbler, der durch Entwurf einer Struktur, die eine Erzeugung einer Turbulenz des Brennstoffs in einem in dem Verwirbler angeordneten Brennstoffverteilerrohr minimiert und eine stabile Einspritzung von Brennstoff ermöglicht, einen Brenner sowie eine damit ausgerüstete Gasturbine.
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Zusätzliche Aspekte werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargestellt und gehen teilweise aus der Beschreibung hervor oder können durch die Praxis der beispielhaften Ausführungsformen gelernt werden.
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Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Verwirbler geschaffen, der enthält: einen Verwirblerkörper, der zwischen einer Innenoberfläche einer Brennstoffdüse und einer Außenoberfläche eines Mittelkörpers angeordnet ist, ein Brennstoffeinspritzloch, das an dem Verwirblerkörper angeordnet ist, ein Brennstoffverteilerrohr, das in dem Verwirblerkörper gebildet ist, wobei das Brennstoffverteilerrohr mit einem Brennstoffkanal, der in dem Mittelkörper angeordnet ist, verbunden ist, während es mit dem Brennstoffeinspritzloch in Verbindung steht, und einen Turbulenzminderer, der bei einem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs gebildet ist, um die Erzeugung einer Turbulenz des von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr strömenden Brennstoffs zu vermindern.
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Der Turbulenzminderer kann einen geneigten Abschnitt enthalten, der bei dem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs in der Weise gebildet ist, dass ein Strömungsraum des Brennstoffs von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr allmählich vergrößert ist.
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Der Turbulenzminderer kann einen gekrümmten Abschnitt enthalten, der bei dem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs in der Weise gebildet ist, dass ein Strömungsraum des Brennstoffs von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr allmählich vergrößert ist.
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Das Brennstoffeinspritzloch kann ein Langloch sein, das in einer Strömungsrichtung der Druckluft verläuft.
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Gemäß einem Aspekt einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird ein Verwirbler geschaffen, der enthält: einen Verwirblerkörper, der zwischen einer Innenoberfläche einer Brennstoffdüse, in der Druckluft in Richtung einer Brennkammer strömt, und einer Außenoberfläche eines Mittelkörpers angeordnet ist, ein Brennstoffeinspritzloch, das an dem Verwirblerkörper angeordnet ist, ein Brennstoffverteilerrohr, das in dem Verwirblerkörper gebildet ist, wobei das Brennstoffverteilerrohr mit einem Brennstoffkanal, der in dem Mittelkörper angeordnet ist, verbunden ist, während es mit dem Brennstoffeinspritzloch in Verbindung steht, und einen Turbulenzminderer, der in dem Brennstoffverteilerrohr gebildet ist, um die Erzeugung einer Turbulenz des von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr strömenden Brennstoffs zu vermindern.
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Der Verwirblerkörper kann einen oberen Abschnitt enthalten, der von der Innenoberfläche der Brennstoffdüse zu der Außenoberfläche des Mittelkörpers auf der Grundlage der Strömungsrichtung der Druckluft in einer entgegensetzten Richtung zu der Brennkammer verläuft.
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Der Turbulenzminderer kann einen geneigten Schaufelabschnitt enthalten, der in einer Verlaufsrichtung des oberen Abschnitts des Verwirblerkörpers in der Weise geneigt ist, dass der von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr strömende Brennstoff ohne Erzeugung einer Turbulenz diffundieren gelassen wird und zu dem Brennstoffeinspritzloch verteilt wird.
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Der Turbulenzminderer kann ferner einen gekrümmten Abschnitt enthalten, der bei einem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs in der Weise gebildet ist, dass ein Strömungsraum des Brennstoffs von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr allmählich vergrößert ist.
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Das Brennstoffeinspritzloch kann ein erstes Einspritzloch enthalten, das auf der Grundlage der Strömungsrichtung des Brennstoffs in einem oberen Abschnitt des Brennstoffverteilerrohrs angeordnet ist.
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Das Brennstoffeinspritzloch kann ferner ein zweites Einspritzloch enthalten, das auf der Grundlage der Strömungsrichtung des Brennstoffs in einem unteren Abschnitt des Brennstoffverteilerrohrs angeordnet ist.
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Der Verwirblerkörper kann einen oberen Abschnitt enthalten, der von der Innenoberfläche der Brennstoffdüse zu der Außenoberfläche des Mittelkörpers auf der Grundlage der Strömungsrichtung des Brennstoffs in einer entgegensetzten Richtung zu der Brennkammer verläuft.
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Der Turbulenzminderer kann einen ersten gekrümmten Schaufelabschnitt enthalten, der in einer Verlaufsrichtung des oberen Abschnitts des Verwirblerkörpers in der Weise gekrümmt ist, dass der von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr strömende Brennstoff ohne Erzeugung einer Turbulenz diffundieren gelassen wird und zu dem ersten Einspritzloch verteilt wird.
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Der Verwirblerkörper kann einen unteren Abschnitt enthalten, der von der Innenoberfläche der Brennstoffdüse zu der Außenoberfläche des Mittelkörpers auf der Grundlage der Strömungsrichtung des Brennstoffs in einer Richtung zu der Brennkammer verläuft.
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Der Turbulenzminderer kann ferner einen zweiten gekrümmten Schaufelabschnitt enthalten, der in einer Verlaufsrichtung des unteren Abschnitts des Verwirblerkörpers in der Weise gekrümmt ist, dass der Brennstoff, der von dem oberen Abschnitt des Brennstoffverteilerrohrs zu dem unteren Abschnitt des Brennstoffverteilerrohrs strömt, ohne Erzeugung einer Turbulenz diffundieren gelassen wird und zu dem zweiten Einspritzloch verteilt wird.
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Das Brennstoffeinspritzloch kann ein Langloch sein, das in einer Strömungsrichtung der Druckluft verläuft.
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Gemäß einem Aspekt einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird eine Gasturbine geschaffen, die enthält: ein Gehäuse, einen Kompressorabschnitt, der in dem Gehäuse angeordnet ist und dafür konfiguriert ist, Luft zu verdichten, einen Brenner, der mit dem Kompressorabschnitt in dem Gehäuse verbunden ist und dafür konfiguriert ist, ein Gemisch des Brennstoffs mit der Druckluft zu verbrennen, einen Turbinenabschnitt, der mit dem Brenner in dem Gehäuse verbunden ist und dafür konfiguriert ist, unter Verwendung von durch den Brenner erzeugtem Verbrennungsgas Leistung zu erzeugen, und einen Diffusor, der mit dem Turbinenabschnitt in dem Gehäuse verbunden ist und dafür konfiguriert ist, das Gas nach außen auszustoßen. Der Brenner kann eine Brennstoffdüse, die an einem Düsenrohr angeordnet ist, einen Mittelkörper, der in einer Mitte der Brennstoffdüse angeordnet ist und mit einem Brennstoffdüsenfuß verbunden ist, und mehrere Verwirbler, die zwischen dem Mittelkörper und der Brennstoffdüse in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, enthalten, wobei der Verwirbler ein Brennstoffverteilerrohr enthalten kann, das in der Weise konfiguriert ist, dass es einen vergrößerten Brennstoffeinlassabschnitt aufweist.
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Jeder Verwirbler kann einen Verwirblerkörper, der zwischen einer Innenoberfläche einer Brennstoffdüse und einer Außenoberfläche des Mittelkörpers angeordnet ist, ein Brennstoffeinspritzloch, das an dem Verwirblerkörper angeordnet ist, wobei das Brennstoffverteilerrohr in dem Verwirblerkörper gebildet ist und in der Weise konfiguriert ist, dass es mit einem Brennstoffkanal, der in dem Mittelkörper angeordnet ist, verbunden ist, und einen Turbulenzminderer, der bei einem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs gebildet ist, um die Erzeugung einer Turbulenz des von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr strömenden Brennstoffs zu vermindern, enthalten.
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Der Turbulenzminderer kann einen geneigten Abschnitt enthalten, der bei dem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs in der Weise gebildet ist, dass ein Strömungsraum des Brennstoffs von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr allmählich vergrößert ist.
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Der Turbulenzminderer kann einen gekrümmten Abschnitt enthalten, der bei dem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs in der Weise gebildet ist, dass ein Strömungsraum des Brennstoffs von dem Brennstoffkanal zu dem Brennstoffverteilerrohr allmählich vergrößert ist.
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Das Brennstoffeinspritzloch kann eine Langlochform aufweisen, die in einer Strömungsrichtung der Druckluft verläuft.
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Figurenliste
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Die obigen und andere Aspekte gehen besser aus der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor; es zeigen:
- 1 eine Ansicht, die eine Brennstoffverteilerraumstruktur in jedem Verwirbler gemäß dem verwandten Gebiet darstellt;
- 2 eine Seitenquerschnittsansicht, die eine Gesamtstruktur einer Gasturbine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt;
- 3 eine perspektivische Querschnittsansicht, die eine Gesamtstruktur eines Brenners gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt;
- 4 eine Ansicht, die strukturell ein Brennstoffverteilerrohr in jedem Verwirbler gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt;
- 5 eine Ansicht, die strukturell ein Brennstoffverteilerrohr in jedem Verwirbler gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform darstellt;
- 6 eine Ansicht, die strukturell ein Brennstoffverteilerrohr in jedem Verwirbler gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform darstellt; und
- 7 eine Ansicht, die strukturell ein Brennstoffverteilerrohr in jedem Verwirbler gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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An den Ausführungsformen der Offenbarung können verschiedene Änderungen vorgenommen werden und es kann verschiedene Arten von Ausführungsformen geben. Somit sind in den beigefügten Zeichnungen spezifische Ausführungsformen dargestellt und sind die Ausführungsformen in der Beschreibung ausführlich beschrieben. Allerdings wird angemerkt, dass die verschiedenen Ausführungsformen nicht zur Beschränkung des Schutzumfangs der Offenbarung auf eine spezifische Ausführungsform dienen, sondern so zu interpretieren sind, dass sie alle Änderungen, Entsprechungen oder Alternativen der Ausführungsformen, die in den Ideen und technischen Umfängen, die hier offenbart sind, enthalten sind, enthalten. Währenddessen wird die ausführliche Erläuterung weggelassen, falls bestimmt wird, dass eine ausführliche Erläuterung verwandter bekannter Technologien den Hauptpunkt der Offenbarung bei der Beschreibung der Ausführungsformen unnötig verwirren kann.
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Die hier verwendete Terminologie dient nur zur Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll den Schutzumfang der Offenbarung nicht beschränken. Sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes angibt, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „das“, wie sie hier verwendet sind, die Pluralformen ebenfalls enthalten. Ferner sind die Begriffe wie etwa „umfasst“, „enthält“ oder „aufweist“ so zu verstehen, dass sie bestimmen, dass es in dieser Patentschrift solche Merkmale, ganze Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder eine Kombination davon gibt, während sie die Anwesenheit oder Möglichkeit der Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Kombinationen davon nicht ausschließen sollen.
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Ferner können zur Beschreibung einer Vielzahl von Elementen Begriffe wie etwa „erstes“, „zweites“ usw. verwendet sein, wobei die Elemente durch diese Begriffe aber nicht beschränkt sein sollen. Die Begriffe sind einfach verwendet, um ein Element von anderen Elementen zu unterscheiden. Die Verwendung solcher Ordnungszahlen soll nicht so verstanden werden, dass sie die Bedeutung des Begriffs beschränkt. Zum Beispiel sollen die einer solchen Ordnungszahl zugeordneten Komponenten in Bezug auf die Reihenfolge der Verwendung, die Anordnungsreihenfolge oder dergleichen nicht beschränkt sein. Bei Bedarf kann jede Ordnungszahl austauschbar verwendet sein.
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Im Folgenden werden ein Verwirbler mit einem Brennstoffverteilerrohr, ein Brenner sowie eine damit ausgerüstete Gasturbine gemäß beispielhaften Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Um die Offenbarung in den Zeichnungen deutlich darzustellen, können einige der Elemente, die für das vollständige Verständnis der Offenbarung nicht wesentlich sind, weggelassen sein und beziehen sich gleiche Bezugszeichen überall in der Patentschrift auf gleiche Elemente.
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2 ist eine Querschnittsseitenansicht, die eine Gesamtstruktur einer Gasturbine 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt. Anhand von 2 kann die Gasturbine 1 ein Gehäuse 2, einen Kompressorabschnitt 4, der dafür konfiguriert ist, Luft zu verdichten, einen Brenner 10, der dafür konfiguriert ist, ein Gemisch aus Brennstoff mit einer Druckluft zu verbrennen, einen Turbinenabschnitt 6, der dafür konfiguriert ist, unter Verwendung von Verbrennungsgas Leistung zu erzeugen, einen Diffusor 7, der dafür konfiguriert ist, Abgas auszustoßen, und einen Rotor 3, der dafür konfiguriert ist, den Kompressorabschnitt 4 und den Turbinenabschnitt 6 zu verbinden, um Drehleistung zu übertragen, enthalten.
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Thermodynamisch wird für einen adiabatischen Verdichtungsprozess Außenluft in den einlassseitig der Gasturbine angeordneten Kompressorabschnitt eingeleitet. Die Druckluft wird dem Brenner zugeführt, damit sie darin mit Brennstoff für einen isobaren Verbrennungsprozess gemischt wird. Das Verbrennungsgas wird für einen adiabatischen Ausdehnungsprozess dem auslassseitig der Gasturbine angeordneten Turbinenabschnitt zugeführt.
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Auf der Grundlage einer Richtung einer Luftströmung ist der Kompressorabschnitt 4 vom in dem Gehäuse 2 angeordnet und ist der Turbinenabschnitt 6 hinten in dem Gehäuse 2 angeordnet.
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Zwischen dem Kompressorabschnitt 4 und dem Turbinenabschnitt 6 ist ein Drehmomentrohr 3b angeordnet, das als ein Drehmomentübertragungsglied zum Übertragen des in dem Turbinenabschnitt 6 erzeugten Drehmoments an dem Kompressorabschnitt 4 dient.
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Der Kompressorabschnitt 4 enthält mehrere Kompressorrotorscheiben 4a, von denen jede durch eine Verbindungsstange 3a befestigt ist, um die axiale Trennung in einer Axialrichtung der Verbindungsstange 3a zu verhindern.
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Die Kompressorrotorscheiben 4a sind in der Axialrichtung in einem Zustand angeordnet, in dem die Verbindungsstange 3a durch die Mittellöcher der Kompressorrotorscheiben 4a verläuft. In der Nähe des Außenumfangsabschnitts jeder der Kompressorrotorscheiben 4a steht ein Flansch (nicht dargestellt) axial vor und ist er in der Weise mit einer angrenzenden Rotorscheibe gekoppelt, dass er relativ dazu nicht drehbar ist.
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Jede der Kompressorrotorscheiben 4a kann mehrere Schaufeln 4b (auch als Löffel bezeichnet) enthalten, die mit der Außenumfangsoberfläche davon radial gekoppelt sind. Jede der Schaufeln 4b weist einen Schwalbenschwanz (nicht dargestellt) auf und ist dadurch an der Kompressorrotorscheibe 4a befestigt.
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Beispiele der Befestigung durch den Schwalbenschwanz können einen Tangentialtyp und einen Axialtyp enthalten, die in Übereinstimmung mit der für die verwendete Gasturbine erforderlichen Struktur gewählt werden können. In einigen Fällen können die Kompressorschaufeln 4b unter Verwendung anderer Typen von Befestigungselementen wie etwa einer Passfeder oder eines Bolzens an der Kompressorrotorscheibe 4a befestigt sein.
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Zwischen jeder der Kompressorrotorscheiben 4a sind mehrere an der Innenumfangsoberfläche des Gehäuses 2 befestigte Kompressorleitschaufeln (auch als Zwischenböden bezeichnet) positioniert. Während sich die Kompressorrotorscheiben 4a zusammen mit einer Drehung der Verbindungsstange 3a drehen, drehen sich die an dem Gehäuse 2 befestigten Kompressorleitschaufeln nicht.
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Die Verbindungsstange 3a ist in der Weise eingebaut, dass sie durch die Mitte der Kompressorrotorscheiben 4a verläuft. Ein Ende der Verbindungsstange 3a ist an der am weitesten einlassseitigen Kompressorrotorscheibe 4a befestigt und das andere Ende davon ist an dem Drehmomentrohr 3b befestigt.
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Selbstverständlich kann der Typ der Verbindungsstange 3a nicht auf das in 2 dargestellte Beispiel beschränkt sein und kann er in Übereinstimmung mit einer oder mit mehreren beispielhaften Ausführungsformen geändert werden oder variieren.
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Zum Beispiel kann es drei Typen von Verbindungsstangen geben: einen Einzeltyp, in dem eine einzelne Verbindungsstange durch die Mitte der Kompressorrotorscheiben verläuft; einen Mehrfachtyp, in dem mehrere Verbindungsstangen in einer Umfangsrichtung angeordnet sind; und einen komplexen Typ, in dem der Einzeltyp und der Mehrfachtyp kombiniert sind.
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Um den Druck des Fluids in dem Kompressorabschnitt der Gasturbine zu erhöhen und daraufhin den Winkel der Strömung des Fluids, das in einen Einlass des Brenners eintritt, auf einen Entwurfsströmungswinkel einzustellen, kann in der Nähe des Diffusors 7 ein Entwirbler eingebaut sein, der als eine Führungsleitschaufel dient.
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Der Brenner 10 mischt die eingeleitete Druckluft mit Brennstoff und verbrennt das Gemisch, um Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas mit hoher Energie zu erzeugen. Die Temperatur des Verbrennungsgases wird durch einen isobaren Verbrennungsprozess auf einen Wärmebeständigkeitsgrenzwert der Komponenten des Brenners 10 und des Turbinenabschnitts 6 erhöht.
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Das Verbrennungssystem der Gasturbine kann mehrere Brenner 10 enthalten, die in dem Gehäuse 2 in Form einer Zelle angeordnet sind.
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Das Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas, das von dem Brenner 10 in dem Turbinenabschnitt 6 ausgestoßen wird, übt während der Ausdehnung auf die Schaufeln des Turbinenabschnitts 6 eine Stoß- oder Reaktionskraft aus, was zu mechanischer Energie führt.
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Etwas von der mechanischen Energie, die in dem Turbinenabschnitt 6 erhalten wird, wird als Energie, die für die Verdichtung von Luft in dem Kompressorabschnitt 4 erforderlich ist, bereitgestellt und der Rest wird verwendet, um elektrische Leistung zum Antreiben eines Generators zu erzeugen.
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Der Turbinenabschnitt 6 kann mehrere Statoren und Rotoren enthalten, die daran abwechselnd angeordnet sind, und die Rotoren werden durch Verbrennungsgas angetrieben, um die mit dem Generator verbundene Ausgangswelle zu drehen.
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Zu diesem Zweck enthält der Turbinenabschnitt 6 mehrere Turbinenrotorscheiben 6a. Jede der Turbinenrotorscheiben 6a weist eine ähnliche Struktur wie die Kompressorrotorscheibe 4a auf.
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Außerdem weist jede der Turbinenrotorscheiben 6a einen Flansch (nicht dargestellt) auf, der vorgesehen ist, um mit einer angrenzenden Turbinenrotorscheibe 6a zu koppeln, und enthält sie mehrere Turbinenschaufeln 6b (auch als Löffel bezeichnet), die radial angeordnet sind. Die Turbinenschaufeln 6b können ebenfalls nach Schwalbenschwanzart mit der Turbinenrotorscheibe 6a gekoppelt sein.
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In dem Gehäuse 2 können an der Innenumfangsoberfläche des Turbinenabschnitts 6 Leitschaufeln (auch als Zwischenböden bezeichnet) montiert sein, die sich relativ zu den Turbinenschaufeln 6b drehen.
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Nachdem die in den Kompressorabschnitt 4 eingeleitete Luft in der Gasturbine mit der oben beschriebenen Struktur darin verdichtet und in dem Brenner 10 verbrannt worden ist, strömt das Verbrennungsgas in den Turbinenabschnitt 6, um den Generator anzutreiben, und wird es durch den Diffusor 7 an die Atmosphäre ausgestoßen.
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Die rotierende Komponente wie etwa die Verbindungsstange 3a, das Drehmomentrohr 3b, die Kompressorrotorscheibe 4a, die Kompressorschaufel 4b, die Turbinenrotorscheibe 6a und die Turbinenschaufel 6b können hier zusammen als ein Rotor oder als eine rotierende Einheit bezeichnet werden. Die nicht rotierende Komponente wie etwa das Gehäuse 2, die Leitschaufel (nicht dargestellt) und der Zwischenboden (nicht dargestellt) können zusammen als ein Stator oder als eine feste Einheit bezeichnet werden.
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3 stellt die Struktur des auf die Gasturbine 1 angewendeten Brenners 10 dar. Der Brenner 10 kann ein Brennergehäuse 11, das dafür konfiguriert ist, mehrere Brennstoffdüsen 18 (z. B. die Brennstoffdüsen 15 und 17) eines Brenners 10a zu umgeben, eine Auskleidung 31, die dafür konfiguriert ist, eine Brennkammer 31a zu definieren, ein Übergangsstück 33, das als ein Verbinder zwischen dem Brenner 10 und dem Turbinenabschnitt 6 dient, und eine Strömungsbuchse 35, die dafür konfiguriert ist, die Auskleidung 31 und das Übergangsstück 33 ringförmig zu umgeben, enthalten.
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Anhand von 3 stellt die Auskleidung 31 die Brennkammer 31a bereit, in der durch die Brennstoffdüsen 15 und 17 eingespritzter Brennstoff mit der von dem Kompressorabschnitt zugeführten Druckluft für die Verbrennung gemischt wird. Die Auskleidung 31 kann durch die Druckluft, die durch einen Druckluftkanal 32 strömt, der ein Ringraum ist, der durch die Strömungsbuchse 35 an dem Außenumfang der Auskleidung 31 definiert ist, gekühlt werden. Die Brennstoffdüsen 15 und 17 sind mit dem vorderen Ende der Auskleidung 31 gekoppelt.
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Mit dem hinteren Ende der Auskleidung 31 ist das Übergangsstück 33 verbunden, um das durch eine Zündkerze verbrannte Verbrennungsgas zu dem Turbinenabschnitt zu übertragen. Um zu verhindern, dass die Auskleidung 31 und das Übergangsstück 33 wegen der hohen Temperatur des Verbrennungsgases beschädigt werden, werden die Auskleidung 31 und das Übergangsstück 33 durch die Druckluft, die Ringräumen zugeführt wird, d. h. Druckluftkanälen 32 und 34, die durch die Strömungsbuchse 35 definiert sind, die die Auskleidung 31 und das Übergangsteil 33 umgibt, gekühlt.
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Die Brennstoffdüsen 18 sind ringförmig von dem Brennergehäuse 11 umgeben, das als ein Gehäuse fungiert, und sind mit der Auskleidung 31 verbunden. In die Verbindung zwischen den Brennstoffdüsen 18 und der Auskleidung 31 kann ein zylindrisches Glied eingeführt sein, das mehrere Öffnungen aufweist. Das zylindrische Glied kann ein Düsenrohr 13 sein, das die Brennstoffdüsen 18 enthält. Die in dem Düsenrohr 13 gebildeten Öffnungen fungieren als die Brennstoffdüsen 18, die eine Mitteldüse 17 und mehrere periphere Düsen 15, die die Mitteldüse 17 umgeben, enthalten können.
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Jede der Brennstoffdüsen 18 umgibt einen Mittelkörper 14, der in einer Mitte der zylindrischen Brennstoffdüse in einer Vorwärtsrichtung und in einer Rückwärtsrichtung des Brenners 18 verläuft. Der Mittelkörper 14 kann an einem Ende davon mit einem Düsenfuß 12 verbunden sein, damit ihm davon Brennstoff zugeführt wird, und der Brennstoff kann durch Verwirbler 100 und/oder durch Brennstoffeinspritzöffnungen (nicht dargestellt), die um den Mittelkörper 14 gebildet sind, um mit Druckluft zu mischen, eingespritzt werden. Die Verwirbler 100 können zwischen jedem der Mittelkörper 14 und einer zugeordneten der Brennstoffdüsen 18 in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein. In 3 sind die Brennstoffeinspritzöffnungen an den Verwirblern 100 gebildet. Selbstverständlich brauchen die Positionen und Formen der Brennstoffdüsen, denen Brennstoff zugeführt wird, nicht auf das in 3 dargestellte Beispiel beschränkt zu sein und können sie gemäß einer oder mehrerer anderen beispielhaften Ausführungsformen geändert werden oder variieren.
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Zum Beispiel kann der Düsenfuß 12 mit einer Endabdeckung 22 verbunden sein, die dafür konfiguriert sein kann, dass ihr wenigstens teilweise Brennstoff zugeführt wird.
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4 ist eine Ansicht, die strukturell ein Brennstoffverteilerrohr 120 in jedem Verwirbler 100 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt. 5 ist eine Ansicht, die strukturell ein Brennstoffverteilerrohr 120 in jedem Verwirbler 100 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
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Anhand von 4 kann der Verwirbler 100 einen Verwirblerkörper 110, ein Brennstoffeinspritzloch 130, ein Brennstoffverteilerrohr 120 und einen Turbulenzminderer 140 enthalten.
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Der Verwirblerkörper 110 kann zwischen einer Innenoberfläche der Brennstoffdüse 18 und einer Außenoberfläche des Mittelkörpers 14 angeordnet sein. Der Verwirblerkörper 110 kann z. B. mit einer konstanten Krümmung gekrümmt sein, um zu ermöglichen, dass Druckluft A verwirbelt und der Brennkammer 31a zugeführt wird.
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Das Brennstoffeinspritzloch 130 kann mehrere Brennstoffeinspritzlöcher enthalten, die an dem Verwirblerkörper 110 angeordnet sind. Das Brennstoffeinspritzloch 130 kann ein Langloch sein, das in der Weise in einer Strömungsrichtung der Druckluft A verläuft, dass durch das Brennstoffeinspritzloch 130 Brennstoff C stabil eingespritzt wird.
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In dem Mittelkörper 14 ist ein Brennstoffkanal 150 angeordnet, damit ihm von dem Düsenfuß 12 der Brennstoff C zugeführt wird. Das Brennstoffverteilerrohr 120 ist in dem Verwirblerkörper 110 gebildet und ist mit dem Brennstoffkanal 150 verbunden, während es mit mehreren Brennstoffeinspritzlöchern 130 in Verbindung steht. Somit wird der von dem Brennstoffkanal 150 zugeführte Brennstoff C an die Brennstoffeinspritzlöcher 130 in dem Brennstoffverteilerrohr 120 verteilt und aus dem Verwirbler 100 eingespritzt.
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Der Turbulenzminderer 140 kann bei einem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs 120 gebildet sein, um die Erzeugung einer Turbulenz des von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 strömenden Brennstoffs zu vermindern.
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Der Turbulenzminderer 140 kann hier einen geneigten Abschnitt 41 aufweisen, der in der Weise bei dem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs 120 gebildet ist, dass ein Strömungsraum des Brennstoffs C von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 allmählich vergrößert ist.
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In dem verwandten Gebiet aus 1 kann bei dem Eintrittsabschnitt B des Brennstoffverteilerraums während des Einströmens des Brennstoffs C wegen eines winkelförmigen Eintrittsabschnitts B eine starke Turbulenz erzeugt werden. Wie in 4 dargestellt ist, ist dagegen in der ersten beispielhaften Ausführungsform durch den geneigten Abschnitt 141, der gebildet ist, um einen Anteil, der einen Zusammenstoß und eine Strömungsunterbrechung des von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 strömenden Brennstoffs C verursacht, zu verringern und eine Strömungsfläche in Richtung des Brennstoffverteilerrohrs 120 allmählich zu vergrößern, eine stabile Strömung des Brennstoffs C möglich. Der Turbulenzminderer 140 minimiert die Erzeugung einer Turbulenz des Brennstoffs C, wenn der Brennstoff C in das Brennstoffverteilerrohr 120 eintritt, und ermöglicht, dass der Brennstoff C stabil in das Brennstoffeinspritzloch 130 strömt.
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Anhand von 5 kann ein Turbulenzminderer 140 einen gekrümmten Abschnitt 143 aufweisen, der bei dem Brennstoffeinlass eines Brennstoffverteilerrohrs 120 in der Weise gebildet ist, dass ein Strömungsraum des Brennstoffs C von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 allmählich vergrößert ist. Somit tritt der Brennstoff C entlang des gekrümmten Abschnitts 143 problemlos in das Brennstoffverteilerrohr 120 ein.
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Das heißt, der gekrümmte Abschnitt 143 verringert einen Anteil, der den Zusammenstoß und die Strömungsunterbrechung des von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 strömenden Brennstoffs C verursacht, und ermöglicht, dass der Brennstoff C problemlos in das Brennstoffverteilerrohr 120 eintritt. Ferner ist eine stabile Strömung des Brennstoffs C ebenfalls möglich, da der gekrümmte Abschnitt 143 eine Strömungsfläche in Richtung des Brennstoffverteilerrohrs 120 allmählich vergrößert. Der Turbulenzminderer 140 minimiert die Erzeugung einer Turbulenz des Brennstoffs C, wenn der Brennstoff C in das Brennstoffverteilerrohr 120 eintritt, und ermöglicht, dass der Brennstoff C zusammen mit einer stabilen Einspritzung dadurch stabil in das Brennstoffeinspritzloch 130 strömt.
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6 ist eine Ansicht, die strukturell ein Brennstoffverteilerrohr 120 in jedem Verwirbler 100 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
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Anhand von 6 kann der Verwirbler 100 einen Verwirblerkörper 110, ein Brennstoffeinspritzloch 130, ein Brennstoffverteilerrohr 120 und einen Turbulenzminderer 140 enthalten.
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Der Verwirblerkörper 110 kann zwischen der Innenoberfläche der Brennstoffdüse 18 und der Außenoberfläche des Mittelkörpers 14 angeordnet sein. Der Verwirblerkörper 110 kann z. B. mit einer konstanten Krümmung gekrümmt sein, um zu ermöglichen, dass Druckluft A verwirbelt wird und der Brennkammer 31a zugeführt wird.
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Das Brennstoffeinspritzloch 130 kann mehrere Brennstoffeinspritzlöcher enthalten, die an dem Verwirblerkörper 110 angeordnet sind. Das Brennstoffeinspritzloch 130 kann ein Langloch sein, das in der Weise in der Strömungsrichtung der Druckluft A verläuft, dass Brennstoff C durch das Brennstoffeinspritzloch 130 stabil eingespritzt wird.
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In dem Mittelkörper 14 ist ein Brennstoffkanal 150 angeordnet, dem der Brennstoff C von dem Düsenfuß 12 zugeführt wird. Das Brennstoffverteilerrohr 120 ist in dem Verwirblerkörper 110 gebildet und ist mit dem Brennstoffkanal 150 verbunden, während es mit den mehreren Brennstoffeinspritzlöchern 130 in Verbindung steht. Somit wird der von dem Brennstoffkanal 150 zugeführte Brennstoff C an die Brennstoffeinspritzlöcher 130 in dem Brennstoffverteilerrohr 120 verteilt und aus dem Verwirbler 100 eingespritzt.
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Der Turbulenzminderer 140 kann in dem Brennstoffverteilerrohr 120 gebildet sein, um die Erzeugung einer Turbulenz des von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 strömenden Brennstoffs C zu vermindern.
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Der Verwirblerkörper 110 enthält hier einen oberen Abschnitt, der auf der Grundlage der Strömungsrichtung der Druckluft A in einer Richtung, die der Brennkammer 31a entgegengesetzt ist, von der Innenoberfläche der Brennstoffdüse 18 zu der Außenoberfläche des Mittelkörpers 14 verläuft. Der Turbulenzminderer 140 kann einen geneigten Schaufelabschnitt 145 enthalten, der in einer Verlaufsrichtung des oberen Abschnitts des Verwirblerkörpers 110 geneigt ist, wodurch ermöglicht wird, dass der von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 strömende Brennstoff C ohne die Erzeugung einer Turbulenz diffundieren gelassen wird und verteilt und in die Brennstoffeinspritzlöcher 130 eingeleitet wird.
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Das heißt, der geneigte Schaufelabschnitt 145 ist in der Weise konfiguriert, dass der Brennstoff C stabiler von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 strömt. Dementsprechend ist der Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs 120 vergrößert, was einen Anteil verringert, der den Zusammenstoß des Brennstoffs C während des Einströmens verursacht, und somit die Erzeugung einer Turbulenz des Brennstoffs C verringert. Somit wird der Brennstoff C stabil in die Brennstoffeinspritzlöcher 130 verteilt.
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Außerdem kann der Turbulenzminderer 140 ferner einen gekrümmten Abschnitt 143 enthalten, der bei dem Brennstoffeinlass des Brennstoffverteilerrohrs 120 in der Weise gebildet ist, dass ein Strömungsraum des Brennstoffs C von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 allmählich vergrößert ist. Somit tritt der Brennstoff C entlang des gekrümmten Abschnitts 143 problemlos in das Brennstoffverteilerrohr 120 ein.
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Der gekrümmte Abschnitt 143 verringert einen Anteil, der den Zusammenstoß und die Strömungsunterbrechung des von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 strömenden Brennstoffs C verursacht, und vergrößert allmählich eine Strömungsfläche in Richtung des Brennstoffverteilerrohrs 120. Somit strömt der Brennstoff C in der Weise stabil, dass die Erzeugung einer Turbulenz des Brennstoffs C minimiert wird.
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7 ist eine Ansicht, die strukturell ein Brennstoffverteilerrohr 120 in jedem Verwirbler 100 gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
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Anhand von 7 kann der Verwirbler 100 einen Verwirblerkörper 110, ein Brennstoffeinspritzloch 130, ein Brennstoffverteilerrohr 120 und einen Turbulenzminderer 140 enthalten. Da der Verwirblerkörper 110, das Brennstoffeinspritzloch 130, das Brennstoffverteilerrohr 120 und der Turbulenzminderer 140 ähnlich den in 6 beschriebenen sind, wird im Folgenden nur eine verschiedene Konfiguration beschrieben.
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In dem Verwirbler 100 kann das Brennstoffeinspritzloch 130 erste Einspritzlöcher 131, die auf der Grundlage der Strömungsrichtung des Brennstoffs C in einem oberen Abschnitt des Brennstoffverteilerrohrs 120 angeordnet sind, und zweite Einspritzlöcher 133, die in einem unteren Abschnitt des Brennstoffverteilerrohrs 120 angeordnet sind, enthalten.
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Auf der Grundlage der Strömungsrichtung des Brennstoffs C kann der Verwirblerkörper 110 einen oberen Abschnitt, der von der Innenoberfläche der Brennstoffdüse 18 zu der Außenoberfläche des Mittelkörpers 14 in einer Richtung entgegengesetzt zu der Brennkammer 31 a verläuft, und einen unteren Abschnitt, der von der Innenoberfläche der Brennstoffdüse 18 zu der Außenoberfläche des Mittelkörpers 14 in einer Richtung der Brennkammer 31a verläuft, aufweisen.
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Der Turbulenzminderer 140 kann einen ersten gekrümmten Schaufelabschnitt 147 und einen zweiten gekrümmten Schaufelabschnitt 148 enthalten.
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Der erste gekrümmte Schaufelabschnitt 147 kann in einer Verlaufsrichtung des oberen Abschnitts des Verwirblerkörpers 110 gekrümmt sein, wodurch ermöglicht wird, dass der von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 strömende Brennstoff C ohne die Erzeugung einer Turbulenz diffundieren gelassen wird und zu den ersten Einspritzlöchem 131 verteilt wird.
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Der zweite gekrümmte Schaufelabschnitt 148 kann in einer Verlaufsrichtung des unteren Abschnitts des Verwirblerkörpers 110 gekrümmt sein, wodurch ermöglicht wird, dass der von dem oberen Abschnitt des Brennstoffverteilerrohrs 120 zu dem unteren Abschnitt des Brennstoffverteilerrohrs 120 strömende Brennstoff C ohne die Erzeugung einer Turbulenz diffundieren gelassen wird und zu den zweiten Einspritzlöchern 133 verteilt wird.
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Durch die oben beschriebene Struktur wird der Brennstoff C entlang des ersten gekrümmten Schaufelabschnitts 147 problemlos in das Brennstoffverteilerrohr 120 eingeleitet und zu den ersten Einspritzlöchern 131 stabil verteilt. Dies ist so, da der erste gekrümmte Schaufelabschnitt 147 einen Strömungsraum des Brennstoffs C von dem Brennstoffkanal 150 zu dem Brennstoffverteilerrohr 120 in der Weise allgemein vergrößert, dass der Zusammenstoß des Brennstoffs C nicht auftritt, was die Erzeugung einer Turbulenz erheblich verringert.
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Außerdem wird etwas von dem Brennstoff C, der durch den ersten gekrümmten Schaufelabschnitt 147 gegangen ist, aus dem Verwirbler 100 durch die ersten Einspritzlöcher 131 eingespritzt und strömt der verbleibende Brennstoff C problemlos entlang des zweiten gekrümmten Einspritzabschnitts 148 und wird er zu den zweiten Einspritzlöchern 133 verteilt. Da der Brennstoff C wegen der gekrümmten Form des ersten und des zweiten gekrümmten Schaufelabschnitts 147 und 148 problemlos strömt, kann die Erzeugung einer Turbulenz erheblich verringert werden und kann der Brennstoff C stabil eingespritzt werden.
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Da der Verwirbler 100 gemäß den beispielhaften Ausführungsformen wie oben beschrieben in der Weise ausgelegt ist, dass der Brennstoff C in das Brennstoffverteilerrohr 120 eingeleitet wird, während die Erzeugung einer Turbulenz minimiert wird, ist es möglich, den Brennstoff C stabil einzuspritzen und einen Grad der Mischung von Brennstoff und Luft zu verbessern. Somit ist es möglich, den Verbrennungswirkungsgrad zu erhöhen.
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Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen ist es durch Verbessern des Eintrittsabschnitts des in jedem Verwirbler definierten Brennstoffverteilerraums und durch Minimieren der Erzeugung einer Turbulenz in dem Brennstoffverteilerraum in der Weise, dass der Brennstoff in dem Brennstoffverteilerraum eintreten kann, möglich, den Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzlöcher des Verteilers stabil einzuspritzen und zu einer Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads sowie zur Sicherstellung eines Grads der Mischung von Brennstoff und Luft beizutragen.
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Obwohl mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden sind, ist für den Fachmann auf dem Gebiet selbstverständlich, dass an der Form und an den Einzelheiten darin verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, abzuweichen. Somit ist die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen in einem beschreibenden Sinn zu verstehen und soll sie den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken und gehen für den Fachmann auf dem Gebiet viele Alternativen, Abwandlungen und Varianten hervor.
