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Luftkanal zu einem InJektionsventil für
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eine Gasturbine Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen
Luftkanal, der zu einem Injektionsventil für eine Gasturbine bzw. Kleingasturbine
führt, welcher vorge.sehen ist, um verdichtete Luft in einen Verbrennungsraum einzubringen,
um Treibstoff, der in eine Kleingasturbine eingebracht wird, zu zerstäuben.
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Der technische Hintergrund der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme
auf die Anordnung eines Luftkanales erläutert, der mit einem Luftinjektionsventil
in Verbindung steht, das in einer Kleingasturbine angebracht ist.
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In einer Kleingasturbine bzw. einem Gasturbinenmotor muß der Treibstoff,
der in eine Brennkammer eingeleitet wird, durch ein Luftinjektionsventil zerstäubt
wrdn Deshalb wird die Luft, die von einem Verdichter komprimiert ist, der innerhalb
des Gasturbinenmotors selbst vorgesehen ist,
zum utinjektionsventil
über einen Luftkanal geleitet, der eine Verbindung zwischen Verdichter und Luftinjektionsventil
herstellt.
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Beim Gasturbinenmotor aus dem Stand der Technik wird allerdingcj ein
Rohr, das außerhalb des Turbinenrnotors verwendet wird, als Luftkanal benützt, urn
die Luft, die vom Verdichter komprimiert ist, zum Luftinjektionsventil zu leiten.
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Dementsprechend liegt eine Anzahl von Nachteilen vor. Die Grundprobleme
sind: 1) Da der Durchmesser des Rohrs, das als Luftkanal verwendet wird, infolge
der Auslegung anderer Einrichtungen begrenzt ist, ist es unmöglich, einen hochwi.rksamen
Luftförderkanal dadurch vorzusehen, dbS man den Innendurchmesser des Rohres erhöht,
um die Luftströmungsgeschwindigkeit zu verringern, d. h., den Verlust an kinetischer
Energie im Inneren des Rohres zu verringern.
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Als Ergebnis liegt in manchen Fällen das Erfordernis der Anbringung
einer zusätzlichen Druckquelle vor, besonders dann, wenn der Motor angelassen wird.
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2) Da der Luftkanal außerhalb des Gasturbinenmotors angeordnet ist,
wird die Luft im Kanalrohr ohne weiteres gekühlt, was zu einer Verrin(erung des
Verbrennungswirkungsgrades führt.
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3) Da die Luft dem Luftinjektionsventil über ein Lufteinlaßrohr zugeführt
wird, führen Material- und Herstellungskosten für die Rohre zu höheren Kosten fürden
Gasturbinenmotor, was zusätzliche Kosten für Anschlußteile und Muttern umfaߣ, die
hiermit verwendet werden.
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Die Anordnung eines als Muster llerangezogenen Luftkanals aus dem
Stand der Technik, welcher mit einem Luftinjektionsventil für einen Gasturbinenmotor
zusammenwirkt, wird nachfolgend noch näher unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen in der detaillierten 03eschreibung der bevor-
zugten
Ausführungsbeispiele beschrieben.
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In Anbetracht dieser Probleme ist es Hauptziel der vorliegenden Erfindung,
einen Luftkanal vorzusehen, der zu einem Luftinjektionsventil für einen Gasturbinenmotor
führt, mit größerem Innendurchmesser und kürzerer Länge und deshalb einem geringeren
Verlust an kinetischer Energie, welcher einen höheren Verbrennungswirkungsgrad liefert
, während er die Material- und Herstellungskosten verringert.
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Um die obenerwähnten Ziele zu erreichen, ist der Luftkanal, der mit
einem Luftinjektionsventil für einen Gasturbinenmotor in Verbindung steht, entsprechend
der vorliegenden Erfindung einteilig mit dem Hauptgehäuse und dem Brennkammergehäuse
eines Gasturbinenmotors ausgebildet.
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Der erfindungsgemäBe Luftkanal wird durch die Verf ahrensschritte
des Kerngusses zur gleichen Zeit hergestellt, zu welcher das Hauptgehäuse und das
Brennkammergehäuse gegossen werden.
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Die Merkmale und Vorzüge des Luftkanals, der mit einem Luftinjektionsventil
für einen Gasturbinenniotor gemäß der vor liegenden Erfindung in Verbindung steht,
wird noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehoben, die im Zusammenhang
mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird, in welchen gleiche Bezugs zeichen
entsprechende Elemente bezeichnen und in welchen: Fig 1A eine Vorderansicht ist,
welche eine als Muster herangezogene Anordnung aus dem Stand der Technik des Luftkanales
zeigt, der mit einem Luf,injeRtions ventil für einen Gasturbìnenmotor in Verbindung
steht, Fig 1B eine Seitenansicht ist, die die als Muster herangezogene Anordnung
aus dem Stand der Technik des Luftkanals der Fig. 1 zeigt,
Fig.
2 eine Ansicht eines Längsschnitts ist, der die Anordnung des erfindungsgemäßen
Kanales zeigt, welcher mit einem Luftinjektionsventil für einen Gasturbinenmotor
in Verbindung steht, Fig. 3 eine vergrößerte, detaillierte Ansicht eines Querschnitts
ist, welcher das Luftinjektionsventil zeigt, zu welchem der erfindungsgemäße Luftkanal
führt, und Fig. 4 eine vergrößerte Detailansicht im Teilschnitt ist, und zwar von
der Lufteinlaßöffnung des erfindungsgemäßen Kanals der vorliegenden Erfindung.
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Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird
ein kurzer Bezug auf eine Anordnung aus dem Stand der Technik des Luftkanales vorgenommen,
der mit einem Luftinjektionsventil für eine Xleingasturbine in Verbindung steht,
und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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In Fig. 1A und Fig. 1B bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Hauptgehäuse
für eine Kleingasturbine, das Bezugszeichen 2 bezeichnet ein Brennkammergehäuse,
das mit dem Hauptgehäuse 1 verbunden ist. In diesem Brennkammergehäuse 2 ist ein
Luftinjektionsventil 3 nahe dem Einlaß einer Treibstoffleitung 4 angeordnet, um
Treibstoff, der in die Brennkammer entritt, durch Verwendung der Druckluft zu zerstäuben,
die durch ein Luftzufuhrrohr 5 eingespeist wird.
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Das Luftzufuhrrohr 5 ist vorgesehen, um Luft in das Luftinjektionsventil
3 zu leiten, wie dies in Fig. 1A und 1B gezeigt ist, wobei ein Ende hiervon mit
dem Luftinjektionsventil 3 über ein Anschluß stück 6 und eine Mutter 7 verbunden
ist, und wobei das andere Ende hiervon mit einem Luftauslaßrohr 8 verbunden ist,
welches innerhalb des Hauptrohres 1 unter Verwendung eines anderen AnschluBY stückes
6 und einer anderen Mutter 7' ancjeordnet ist.Da in diesem Falle das Luftauslanrohr
8 derart Angeordnet ist, daß es mit derAusla0lffnung 10 eines Leitapparates 9 in
Verbindung steht, der für den Verdichter innerhalb der Klein
gasturbine
vorgesehen ist, wird die Luft, die vom Verdichter komprimiert wird, aus der Auslaßöffnung
10 zum Luftauslaßrohr 8 durch die Kraft des Leitapparates 9 eingespeist und ferner
zum Luftinjektionsventil 3 durch das Rohr 5 eingespeist.
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Bei dieser Anordnung eines derart aufgebauten Luftkanales aus dem
Stand der Technik liegen, da das Luftzuführungsrohr 5 außerhalb der Kleingasturbine
angeordnet ist, um die verdichtete Luft in das Luftinjektionsventil 3 zu bringen,
zahlreiche Nachteile vor, die bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben
sind.
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Angesichts der obigen Beschreibung wird nun Bezug auf ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Luftkanales genommen, der mit dem Luftinjektionsventil
für eine Kleingasturbine in Verbindung steht.
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In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 21 und 22 Luftkanäle, um Luft
vom Verdichter in das Luftinjektionsventil 3 zu leiten. Der erste Luftkanal 21 ist
einteilig mit und innerhalb des Hauptgehäuses 1 der Kleingasturbine durch das Verfahren
des Kerngusses ausgebildet, und der zweite Luftkanal 22 ist ebenfalls einteilig
und innerhalb des r.rennkammergehäuses 2 der Kleingasturbine dtlrch das Verfahren
des Kerngusses ausgebildet. Diese beiden Luftkanäle 21 und 22 sind derart angeordnet,
daß, wenn das Hauptgehäuse 1 und das Brennkammergehäuse 2 zusammengefügt werden,
der eine Endabschnitt 21A des ersten Luftkanals 21 mit dem einen Endabschnitt 22A
des zweiten Luftkanals 22 in Verbindung steht; der andere Endabschnitt 21B (Lufteinlaßöffnung)
des ersten Luftkanals 21 steh.t mit dem Leitapparat-Auslaß bzw DiffusorAuslaß 10
des Verdichters in Verbindung, und der andere Endabschnitt 22B des zweiten Luftkanals
22 steht mit einem Lonischen, kreisringförmigen Luftkanal 26 in Verbindung, der
nachfolgend beschrieben wird.
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An der Oberseite des Brennkammergehäuses 2 paßt das Luftinjektionsventil
3 in ein Einbauloch 23, das im Brennkammergehäuse 2 ausgebildet ist.
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Nun erfolgt eine detaillierte Beschreibung des Luftinjektionsventils
3 unter Bezugnahme auf Fig. 3.
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Das Luftinjektionsventil 3 umfaßt einen ersten Treibstoffkanal 3A,
Treibstoffverwirbelungsnuten 30A und einen zweiten Treibstoffkanal 3B. Der Treibstoff,
der durch das Treibstofirohr 4 strömt, gelangt in den zweiten Treibstoffkanal 3B
über den ersten Treibstoffkanal 3A und die Treibstoffverwirbelungsnuten 30A. en
der Treibstoff die Treibstoff-Verwirbelungsnuten 3OA passiert, wird ihm ein gewisser
Drall bzw. ein gewisses Drehimpuismoment mitgeteilt. Ferner ist ein kegelstumpfförmiges
Teil 25 angeordnet, das zum Inneren der Brennkammer hin vorspringt, um einen konischen,
ringförmigen Luftkanal 26 zwischen der inneren Umfangswand 25A des kegelstumpfförmigen
Teiles 25 und der Außenumfngswand 3D des Luftinjektionsventiles 3 zu bilden. Dieser
konische, ringförmige Luftkanal 26 steht mit dem zweiten Luftkanal 22 in Verbindung.
Ferner ist eine Treibstoffinjektionsdüse 25C am Boden 25B des kegelstumpfförmigen
Teils 25 vorgesehen Zusätzlich verbinden Luftverwirbelungsnuten 30B am Boden 3E
des zweiten Luftkanals 3B, den konischen, ringförmigen Luftkanal 26 mit dem Boden
3E.
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Bei der Anordnung der Luftkanäle, die derart entsprechend der vorliegenden
Erfindung aufgebaut sin(l, wie in Fig. 4 gezeigt, erreicht Luft mit hoher Geschwindigkeit
und hoher Dichtet die vom Verdichter der Kleingasturhine verdichtet wurde, zuerst
die Auslaß'öffnung 10 durch den Leitapparat 9, der durch eine Vielzahl von Leitapparat-Schaufeln
9A unterteilt ist.
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In diesem Fall wird die Geschwindigkeit der komprimierten Luft, die
das Laufrad unter dynamischen Druck verläßt,
verringert, wenn die
verdichtete Luft durch den Leitapparat 9 strömt. In anderen Worten, beinahe der
gesamte dynamische Druck (kinetische Energie) wird in einen statischen Druck (Druck.energie)
umgewandelt, aber ein Teil des dynamischen Drucks verbleibt an der Auslaßöffnung
10.
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Deshalb wird die Luft durch den Endabschnitt 21B voran in den ersten
Luftkanal 21 getrieben. Ferner gelangt die komprimierte Luft durch den zweiten Luftkanal
22 und als nächstes in den konischen, ringförmigen Kanal 26, wie in Fig. 3 gezeigt.
Hier ist der Gesamtdruck (Gesamtenergie) innerhalb des konischen, ringförmigen Luftkanals
26 höher als jener im Inneren der Brennkammer 24. Das heißt, wie oben beschrieben,
wird, weil der dynamische Druck nicht völlig in statischen Druck durch den Leitapparat
9 umqewandelt wird, ein Teil der Luftströmungsenergie vom dynamischen Druck (kinetische
Energie) abgezweigt Deshalb liegt ein gewisser dynamischer Druck sogar im konischen,
ringförmigen Luftkanal 26 vor, und der Druck, der dem dynamischen Druck entspricht,
ist höher als jener im Inneren der Brennkammer 24. Dementsprechend wird die verdichtete
Luft in den konischen, ringförmigen Luftkanal 26 eingeleitet und durchtritt die
Luft-Verwirbelungsnuten 30B und gelangt in den Bodenabschnitt 3E des Luftinjektionsventils
3 in einem Zustand hoher Geschwindigkeit und der Wirbelströmung.
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Andererseits verläßt am Boderlabschn-itt 3E des Treibstoffinjektionsventils
3 der Treibstoff', der durch das Treibstoffrohr 4 zugeführt wird, den zweiten Treibstoffkanal
3B in einem Zustand mit hoher Geschwindigkeit und des Wirbelstromes, nachdem der
Treibstoff durch den ersten Treibstoffkanal 3A und die ersten Verwirbelung snten
30A hindurchgeströmt ist. Der Treibstoff trifft dann auf den Wirbelluftstrom am
Boden 3E, und wird demgemäß zerstäubt und in die Brennkammer durch die Treibstoffdüse
25C injiziert.
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Die Luft, die vom Verdichter abgegeben wird, wird somit dem Luftinjektionsventil
3, wie oben erläute@t, durch einen
ersten Luftkanal 21, der einteilig
mit dem Hauptgehäuse 1 ausgebildet ist, und einen zweiten Luftkanal 22 zugeführt,
der einteilig mit dem Brennkammergehäuse 2 ausgebildet ist.
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Ferner ist es bei den erfindungsgemaßen Luftkanälen möglich, die Luftkanäle
21 und 22 durch Gießen des Hauptgehäuses und der Brennkammer des Gehäuses herzustellen,
und zwar nach dem zwei geeignete Rohre bereits vorher an Ort und Stelle angeordnet
wurden.
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Ferner ist es beim Guß der Gehäuse, wenn die Lufteinlaßöffnung 21B
des ersten Luftkanals 21 trichterförmig ausgebildet ist, wie dies in Fig. 4 abgebildet
ist1 möglich, die Luft, die vom Leitapparat 9 zugeführt wirdr wirksam in den ersten
Luftkanal einzuleiten.
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Wie oben beschrieben, ist es bei Luftkanälen, die mit dem Luftinjektionsventil
gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung stehen, möglich, weil die Luftkanäle
zur Leitung von Luft aus dem Verdichter in das Luftinjektionsventil einteilig mit
dem Hauptgehäuse und dem Brennkammergehäuse ausgebildet sind, die Querschnittsfläche
der Luftkanäle auf jedenovorgegebenen Wert zu erhöhen, ungeachtet der Auslegung
der Kleingasturbine und anderer Einrichtungen, und die Länge des Luftkanals vom
Verdichter. zum Luftinjektionsventil zu verringern und somit den Energieverlust
während der Luftströmung aus dem Verdichter'zum Luftinjenktionsventil zu verringern,
in andern Worten, Luft wirksam bzw. effizient dem Luftinjektionsventil zuzuführen.
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Da ferner der zweite Luftkanal einteilig mit dem Brennkammergehäuse
ausgebildet istr und da deshalb die Luft, die hier hindurchströmt, erhitzt wird,
ist es möglich, den Verbrennungswirkungsgrad zu erhöhen Als Ergebnis ist es unter
allen Betriebsbedingungen inklusive jener,wenn die Kleingasturbine angelassen wird,
möglich, Treibstoff unter Verwendung nur des Druckes zu-
friedenstellend
einzuspritzen, der vom Verdichter der Kleingasturbine geliefert wird.
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Da zusätzlich kein Erfordernis für die Anordnung eines Lufteinlaßrohres,
eines Luftzufuhrrohres, non Xerhindunqsstücken,Muttern usw. an der Kleingasturbine
vorliegt, ist es mögliche die Verfahrensschritte bei der Herstellung zu verringern
und deshalb auch die Herstellungskosten zu verringern.
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Es wird darauf hingewieeen, daß der Fachmann die vorangegangene Beschreibung
nur als Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
versteht:, woran zahlreiche Änderungen und Anpassungen vorgenommen werden können,
ohne daß man den Grundgedanken und Bereich der Erfindung verläßt, wie dies auch
in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt ist.