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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik.
Sie betrifft ein Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung
in Gasturbinenbrennkammern, welche insbesondere bei hohen Brennkammerdrücken und
hohen Brennkammereintrittstemperaturen betrieben werden.
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Zur
schadstoffarmen Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennkammern muss
der Brennstoff vor der Verbrennung möglichst homogen mit der Verbrennungsluft
gemischt werden. Das ist bei gasförmigen Brennstoffen im allgemeinen
relativ einfach zu erreichen. Bei sehr hohen Brennkammerdrücken und insbesondere
sehr hohen Brennkammereintrittstemperaturen zündet das Gemisch aber schon
selbständig,
bevor eine vollständige
Vermischung von Brennstoff und Luft stattgefunden hat, d.h. die
Zündverzugszeit
ist zu kurz. In diesem Zustand entstehen bei der Verbrennung unzulässig hohe
Stickoxid(NOx)-Emissionen, die wegen der ständig steigenden Anforderungen
an eine saubere Umwelt unerwünscht
sind. Dieselbe Problematik tritt auch bei der Verwendung von Flüssigbrennstoff,
insbesondere Öl,
auf.
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Zur
Zerstäubung
von Flüssigbrennstoff,
bei der der flüssige
Brennstoffstrahl in einzelne Tröpfchen
aufgespalten wird, so dass der Brennstoff eine möglichst grosse Verdampfungsoberfläche erhält, sind
sogenannte airblast-Düsen
bekannt (A. H. Lefebvre, Airblast Atomization, Prog. Energy Combust. Sci.
vol. 6, S. 233-261, 1980), welche insbesondere für Gasturbinen geeignet sind.
Diese sind so konstruiert, dass die sich relativ langsam bewegende
Flüssigkeit
durch einen Luftstrom grosser Geschwindigkeit zerstäubt wird.
Der Brennstoff hat dabei keinen Eigenimpuls, er liegt als dünner Film
mit etwa konstanter Dicke an einer Zerstäuberlippe an und wird durch
die Scherkr„fte
von an beiden Seiten der Zerstäuberlippe
in einem inneren und einem äusseren Luftkanal
mit grösstmöglicher
Geschwindigkeit vorbeiströmender
Luft zerstäubt
(prefilming atomization).
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Eine
andere Möglichkeit
ist die Injektion des flüssigen
Brennstoffes in Form von einem oder mehreren getrennten Jets in
einen Luftstrom schneller Geschwindigkeit (plain-jet airblast atomization).
Das Massenverhältnis
von Luft zu Brennstoff ist bei den airblast-Düsen >1. Zum Zerstäuben wird der Brennkammerdruckabfall
benutzt.
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Aus
DE 41 09 304 A1 ist
ein Verfahren zur Verringerung der Stickoxid-Emissionen eines Brenners
bei Heizölbetrieb
und Gasbetrieb bekannt, bei dem der Brennstoffstrom mit einem gasförmigen Medium
umhüllt
ist, welches beispielweise Luft mit zugemischtem Brenngas oder Luft
mit Zusatz von Wasserdampf oder Wasser ist. Die Druckschriften
DE 39 43 096 A1 ,
JP 62-166210 A, JP 54-90410A,
US
4 337 618 und
US 5 361
578 beschreiben Brenner oder Düsen, bei denen komprimmierte
Luft, Dampf oder Wasser zur Veringerung der Stickoxid- Emissionen eingedüst wird.
In
DE 35 45 524 A1 sind
eine Mehrstufenbrennkammer und ein Verfahren zu ihrem Betrieb offenbart,
bei denen die Primärstufe über ihre Wände verteilt
eine Vielzahl von Einlassöffnungen aufweist,
welche mit einem Inertstoff-Zuführungssystem
in Verbindung stehen, wodurch einerseits vorteilhaft die Wände und
anderseits die Verbrennungsgase gekühlt werden.
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Aus
EP 0638 769 A2 ist
eine Brennstofflanze für
flüssige
und/oder gasförmige
Brennstoffe zum Einsatz in einer Brennkammer bekannt, welche nach dem
airblast-Prinzip arbeitet, wobei der in die Brennkammer geblasenen
Brennstoffstrom von einem Luftmantel umgeben ist. Dieser Mantel
relativ kühler
Luft unterstützt
die Durchmischung des gasförmigen
bzw. zerstäubten
flüssigen
Brennstoffes mit der Verbrennungsluft in der Brennkammer und erhöht die Zündverzugszeit
des Gemisches. Bei sehr hohen Brennkammereintrittstemperaturen ist
die Zündverzugszeit aber
immer noch zu kurz, um eine perfekte Mischung zu erzielen.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung versucht, diesen Nachteil zu vermeiden. Ihr liegt die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung von
flüssigen
und/oder gasförmigen
Brennstoffen in Gasturbinenbrennkammern bei hohen Brennkammerdrücken und/oder
hohen Brennkammereintrittstemperaturen, bei welchem der Brennstoff über an sich
bekannte airblast-Düsen,
wie sie in üblicher
Weise zur Zerstäubung
von flüssigen
Brennstoffen verwendet werden, in die Brennkammer eingedüst wird, zu
entwickeln, bei dem aber die Zündverzugszeit
des Brennstoff/Luft-Gemisches gegenüber dem bekannten Stand der
Tech nik erhöht
ist, demzufolge vor der Verbrennung eine vollständige Durchmischung von Brennstoff
und Verbrennungsluft erfolgen kann und deshalb nur geringe NOx-Emissionen
bei der Verbrennung des Gemisches entstehen.
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Erfindungsgemäss wird
dies dadurch erreicht, dass der in die Brennkammer eingedüste Brennstoff
von einem Mantelstrom eines gasförmigen
Mediums umhüllt
wird, wobei das gasförmige Umhüllungsmedium
CO2 oder N2 ist.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen in einer Erhöhung der Zündverzugszeit des Brennstoff/Luft-Gemisches,
wodurch mehr Zeit für
die Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft zur Verfügung steht
und deshalb gegenüber
dem bekannten Stand der Technik geringere NOx-Emissionen bei der
Verbrennung, insbesondere bei hohen Brennkammereintrittstemperaturen,
entstehen.
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Durch
die Umhüllung
des Brennstoffstrahles wird die Gefahr einer zu frühen Zündung vermindert, so
dass insbesondere bei vorgemischten Brennern die Zündung erst
ausserhalb der Vormischstrecke im Brennraum erfolgt.
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Bei
Verwendung von gasförmigem
Brennstoff wird dieser im inneren Kanal der Düse entlanggeführt, während das
gasförmige
Umhüllungsmedium
den äusseren
Kanal der airblast-Düse
durchströmt.
Die beiden Gasströme
sind vorzugsweise unverdrallt, es können jedoch auch einer der
beiden Ströme
bzw. beide Ströme
verdrallt sein, was sich positiv auf die Durchmischung auswirkt.
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Bei
Verwendung von flüssigem
Brennstoff wird dieser mittels des gasförmigen Umhüllungsmediums, welches einen
kleineren Sauerstoffgehalt als Luft aufweist, in der airblast-Düse zerstäubt. Das gasförmige Medium
wird dabei in den Kanälen
entlanggeführt,
in denen beim konventionellen Betrieb der airblast-Düse die Luft
entlangströmt.
Eine Hülle des
gasförmigen
Mediums, beispielsweise CO2, umgibt in diesem
Falle das Öl,
so dass aufgrund der höheren
Wärmekapazität und des
geringeren Sauerstoffgehaltes bei der Vermischung des Dampf/Öl-Gemisches
mit der umgebenden Verbrennungsluft eine längere Zündverzugszeit erzielt werden
kann. Diese Zeit kann dann zur vollständigen Vermischung und Verdampfung
des Brennstoffes mit der Luft benutzt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 die
Seitenansicht einer in einer Brennkammer angeordnete nach dem erfindungsgemässen Verfahren
arbeitende Brennstofflanze, deren Geometrie in
EP 0 638 769 A2 offenbart
ist;
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2 im
Längsschnitt
die Spitze der Brennstofflanze nach 1 mit durch
Pfeilen verdeutlichten Gas- und Flüssigkeitsströmungen,
wobei in der oberen Hälfte
der Betrieb mit gasförmigen
Brennstoff und in der unteren Hälfte
der Betrieb mit flüssigem Brennstoff
dargestellt ist;
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3 im
Längsschnitt
die Spitze einer weiteren Brennstofflanze in den zwei Betriebsarten
analog zu 2;
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4 im
Längsschnitt
die Spitze einer mit gasförmigen
Brennstoff betriebenen airblast-Düse;
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5 im
Längsschnitt
die Spitze einer weiteren airblast-Düse,
welche mit flüssigem
Brennstoff betrieben wird.
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Es
sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung
der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
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Weg zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
die Seitenansicht einer Brennstofflanze
1 gemäss
EP 0 638 769 A2 ,
welche für
das erfindungsgemässe
Verfahren benutzt werden kann. Die Brennstofflanze
1 ist
in einer von einem Gehäuse
3 begrenzten
Brennkammer
2 einer Gasturbine angeordnet. Die Brennstofflanze
1 ist
mit ihrer Lanzenachse
5 in der Mittelachse der Brennkammer
2 angeordnet
und wird von heisser Verbrennungsluft (siehe lange Pfeile in
1)
umströmt.
Sie ist von einem länglichen
Lanzenmantel
11 umgeben und über einen seitlich abgehenden
Tragarm
4, welcher ein flügelähnliches Profil aufweist, am
Gehäuse
3 befestigt.
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Durch
den Tragarm 4 und die Brennstofflanze 1 selbst
verlaufen mehrere Rohre, durch welche gasförmiger bzw. flüssiger Brennstoff
und gasförmiges
Umhüllungs-
bzw. Zerstäubungsmedium
zur stromabwärts
gelegenen Lanzenspitze geführt
wird und dort durch die Düsen 12 und 13 in
die Brennkammer 2 injiziert wird. Die Rohre umfassen ein
in Achsenrichtung verlaufendes inneres Flüssigbrennstoffrohr 7 und
ein das Rohr 7 konzentrisch umgebendes Gasrohr 9,
das in einem Abstand konzentrisch vom Lanzenmantel 11 umgeben
wird. Dadurch werden drei Kanäle
gebildet, und zwar der Flüssigbrennstoffkanal 6,
der Gaskanal 8 und ein weiterer Gaskanal 10, in
welchem gemäss
der Erfindung das gasförmige
Umhüllungsmedium
in Form von CO2 oder N2 entlangströmt.
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2 zeigt
im Längsschnitt
die Lanzenspitze, die in
EP
0 638 769 A2 ausführlich
beschrieben ist, so dass hier nur eine Kurzbeschreibung erfolgt. Die
obere Hälfte
von
2 bezieht sich auf den Betriebsfall mit gasförmigen Brennstoff,
während
sich die untere Hälfte
auf den Betriebsfall mit ausschliesslich flüssigem Brennstoff bezieht.
Gleiches gilt für
3.
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In
der Lanzenspitze enden das Flüssigbrennstoffrohr 7,
das Gasrohr 9 und der Lanzenmantel 11. Beide Rohre
werden von einem halbkugelförmigen
Rohrkopf 17 abgeschlossen, während der Kanal 10 zwischen
Lanzenmantel 11 und Rohrkopf 17 weiter bis zur
unmittelbaren Lanzenspitze reicht, wobei in diesem Bereich Verbindungsstege 16 angeordnet
sind. Im Bereich der Rohrenden sind mehrere entlang einer Düsenachse 24 angeordneter
Düsensätze 12, 15 und 18 in
den Rohren 7, 9 und 11 vorgesehen.
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Beim
reinen Gasbetrieb der Gasturbinenbrennkammer strömt das Gas durch den Gaskanal 8 und
die Gasdüse 15 und
bildet dort einen radial nach aussen gerichteten Gasstrahl, der
durch die Düse 12 in
die Brennkammer 2 tritt. Der Flüssigbrennstoffkanal 6 wird
nicht beschickt, aber durch den äusseren Kanal 10 wird
ein kaltes (kälter
als die Verbrennungsluft) gasförmiges
Umhüllungsmedium
geschickt, beispielsweise N2. Dieses Umhüllungsmedium
tritt ebenfalls aus der Düse 12 radial
in die Brennkammer 2 ein und umgibt den Gasstrahl als mantelförmiger Strom.
Ein Teil des gasförmigen
Umhüllungsmediums
kann auch durch die Hilfsdüse 13 an
der Lanzenspitze in die Brennkammer eintreten und somit einen unerwünschten
Nachlauf in diesem Gebiet verhindern. Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens
besteht darin, dass die Zündverzugszeit
erhöht wird
und dadurch eine ausreichend lange Durchmischung des Brennstoffes
mit der Verbrennungsluft in der Brennkammer 2 ermöglicht wird,
so dass eine vorzeitige Selbstzündung
des Gemisches somit vermieden werden kann.
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Bei
dem in 2 in der unteren Hälfte dargestellten Betriebsfall
mit reiner Flüssigbrennstoffinjektion
wird durch den inneren Flüssigbrennstoffkanal 6 flüssiger Brennstoff,
meist eine Öl/Wasser-Emulsion zur
Flüssigbrennstoffdüse 18 geführt und
dort radial nach aussen gestossen. Durch den Gaskanal 8 wird in
diesem Falle ein gasförmiges
Umhüllungsmedium, in
Form von CO2 oder N2,
herangeführt,
welches durch die Düse 15 austritt
und in Wechselwirkung mit dem gleichfalls durch die Düse 15 durchtretenden Flüssigkeitsstrahl
eine feine Zerstäubung
des Flüssigbrennstoffs
in lauter kleine Tröpfchen
bewirkt. Der Zerstäubungsstrahl
wird dann an der Düse 12 in
gleicher Weise wie oben beschrieben von einem Mantel des gasförmigen Umhüllungsmediums
umgeben und dann endgültig
in die Brennkammer 2 injiziert.
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Aufgrund
der höheren
Wärmekapazität und des
geringeren Sauerstoffgehaltes bei der Vermischung des beispielsweise
Dampf/-Öl-Gemisches mit
der umgebenden Verbrennungsluft kann eine längere Zündverzugszeit erzielt werden,
so dass mehr Zeit zur vollständigen
Vermischung und Verdampfung des Brennstoffes mit der Luft zur Verfügung steht.
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3 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemässe Verfahren.
Die verwendete Brennstofflanze ist wiederum ausführlich in
EP 0638 769 beschrieben. Im Unter schied
zu
2 enden das Gasrohr
9 und das Flüssigbrennstoffrohr
7 in Strömungsrichtung
bereits vor den Düsen
12.
Die jeder Düse
12 zugeordneten
Düsen
15 und
18 befinden
sich am Ende des jeweiligen Rohres
9 bzw.
7 und
sind parallel zur Lanzenachse ausgerichtet. Der Rohrkopf
21 hat
in diesem Falle die Form einer Halbkugelschale. Über schaufelförmige Leitbleche
22,
die jeweils in einen geschlossenen Blechring
23 mit geringerem
Durchmesser als die Düse
12 auslaufen, werden
die aus den zugeordneten Düsen
15 und
18 austretenden
Ströme
um etwa 90° umgelenkt
und in die jeweilige Düse
12 eingeleitet.
In den Gasdüsen
15 kann
jeweils zusätzlich
ein Leitblech
19 eingepasst sein, um eine sichere Umlenkung
des Gasströme
durch die Leitbleche zu gewährleisten.
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Im
oberen Teilbild von 3 ist wiederum der reine Gasbetrieb
dargestellt, bei dem das Flüssigbrennstoffrohr 7 nicht
verwendet wird. Der Gasstrom tritt hier aus dem Gaskanal 8 durch
das Leitrohr 19 aus, wird vom Leitblech 22 umgelenkt,
durch den Blechring 23 gebündelt und durch die Düse 12 mit
CO2 oder N2, welches
im Kanal herangeführt
wird, ummantelt in die Brennkammer ausgestossen.
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Beim
Flüssigbrennstoffbetrieb
gemäss
unterem Teilbild wird der Gaskanal
8 nicht benutzt. Der aus
der Flüssigbrennstoffdüse
18 austretenden
Flüssigkeitsstrahl
wird als Film an der Innenwand des Leitbleches
22 zur Düse
12 geleitet
und dort mittels des im Kanal
10 hinzugeführten gasförmigen Mediums
durch Abriss feinster Tröpfchen
an der Aussenkante des Blechringes
23 zerstäubt und
vor dem endgültigen
Eintritt in die Brennkammer
2 ummantelt. Die Wirkung der
Zufuhr des gasförmigen
Mediums in Form von CO
2 oder N
2 anstelle
von Luft, wie in
EP 0638
769 A2 beschrieben, ist die gleiche wie bei
2,
d.h. im Vergleich zum Betrieb der Düsen mit Luft wird bei Verwendung
von CO
2 oder N
2 die
Zündverzugszeit
des Brennstoff/Luft-Gemisches erhöht.
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In 4 und 5 sind
weitere mögliche Ausführungsvarianten
dargestellt, mit denen das erfindungsgemässe Verfahren realisiert werden
kann. Zur erfindungsgemässen
schadstoffarmen Verbrennung von gasförmigem Brennstoff können bekannte airblast-Düsen, wie
sie zur Zerstäubung
von Flüssigbrennstoff
eingesetzt werden, verwendet werden, wobei in dem ehemals inneren
Luftkanal nunmehr das Brenngas und im ehemals äusseren Luftkanal das von Luft
verschiedene gasförmige
Umhüllungsmedium
entlangströmt.
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4 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer derartigen Düse im Längsschnitt. Der gasförmige Brennstoff
wird in einem Gasrohr 9, welches um die Düsenachse 24 angeordnet
ist, entlanggeführt
und strömt über eine
Gasdüse 15,
die in diesem Falle als eine einfache mittige Öffnung in der das Rohr 9 in Strömungsrichtung
abschliessenden Wand 25 ausgebildet ist, in den inneren
Kanal 26 und trifft in Form eines Kegels auf die Innenwand
eines in der Düsenspitze
angeordneten Rohres 27, welches den Kanal 26 begrenzt.
Ein zum Rohr 27 bzw. Gasrohr 9 im Abstand konzentrisch
angeordnetes Rohr 28 bildet einen ringförmigen Kanal 10, in
welchem das im Vergleich zu Luft sauerstoffärmere Umhüllungsgas in Form von CO2 oder N2 entlangströmt. Dieser
Strom, der kälter
als die Verbrennungsluft in der Brennkammer ist, wird beim Auftreffen
auf das Rohr 27 aufgeteilt in einen Strom, welcher an der
Innenwand des Rohres 27 entlangströmt und sich mit dem Brenngaskegel
vermischt und einen Strom, welcher zwischen Rohr 27 und 28 entlangströmt und den
Brenngasstrahl ummantelt, bevor dieser endgültig in die Brennkammer injiziert
und mit der Verbrennungsluft gemischt wird (siehe schematische Darstellung
im rechten Teilbild, im inneren Kreis – Brennstoff, im äusseren
Kreis – gasförmiges Umhüllungsmedium,
ganz aussen – Verbrennungsluft).
Auf dieses Art und Weise wird die Zündverzugszeit erhöht und die
Durchmischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft verbessert.
In einer zeichnerisch nicht dargestellten Variante können entweder
der Brennstoffstrom oder der Umhüllungsmediumstrom
oder beide Ströme
verdrallt werden.
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5 zeigt
in einem Längsschnitt
die Spitze einer bekannten airblast-Düse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff.
Der Brennstoff fliesst über
tangentiale Kanäle 6 in
ein Wehr 29, gelangt an die prefilming-Fläche 30,
wo er sich als dünner
Film anlegt. An der Zerstäuberlippe 31 wird
er durch beidseitig schnell vorbeiströmendes gasförmiges Medium, welches erfindungsgemäss CO2 oder N2 ist, in
feine Tröpfchen
zerstäubt.
Ein Teil des gasförmigen
Mediums strömt
dabei in dem vom Rohr 28 aussen begrenzten Kanal 10 zur
Zerstäuberlippe 31,
wobei der Kanal 10 an dieser Stelle einen minimale Höhe aufweist,
um die Strömungsgeschwindigkeit
zu erhöhen. Der
andere Teilstrom strömt
im inneren Kanal 9 über einen
Düsenzapfen 32,
der bewirkt, dass das Gas auf die innere Oberfläche des Flüssigbrennstofffilmes gerichtet
wird. Auch damit wird eine im Vergleich zum Stand der Technik (Betrieb
der Düse
mit Luft) längere Zündverzugszeit
erreicht, die zur vollständigen
Vermischung und Verdampfung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft
benutzt werden kann.
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- 1
- Brennstofflanze
- 2
- Brennkammer
- 3
- Gehäuse
- 4
- Tragarm
- 5
- Lanzenachse
- 6
- Flüssigbrennstoffkanal
- 7
- Flüssigbrennstoffrohr
- 8
- Gaskanal
- 9
- Gasrohr
- 10
- Kanal
für gasförmiges Umhüllungsmedium
- 11
- Lanzenmantel
- 12
- Düse
- 13
- Hilfsdüse
- 14
- Tragarmprofil
- 15
- Gasdüse
- 16
- Verbindungssteg
- 17,
21
- Rohrkopf
- 18
- Flüssigbrennstoffdüse
- 19
- Leitrohr
- 22
- Leitblech
- 23
- Blechring
- 24
- Düsenachse
- 25
- Wand
am Ende des Rohres 9
- 26
- Kanal
innerhalb des Rohres 27
- 27
- inneres
Rohr
- 28
- äusseres
Rohr
- 29
- Wehr
- 30
- prefilming-Fläche
- 31
- Zerstäuberlippe
- 32
- Düsenzapfen