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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffverteilungseinrichtung
für die
Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks.
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Brennstoffverteilungseinrichtungen
für Gasturbinentriebwerke
sollen Brennstoff von einem gemeinsamen Verteiler gleichförmig auf
mehrere Brennstoffinjektoren oder Düsen verteilen, die an verschiedenen
Stellen in der Triebwerksbrennkammer angeordnet sind. Diese gleichförmige Brennstoffverteilung
muß über einem
breiten Bereich von Betriebszuständen
des Triebwerks von Abstieg bis maximale Leistung herbeigeführt werden,
was eine erhebliche Änderung
in den Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
darstellt.
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Bei
einem typischen Triebwerksaufbau sind die Brennstoffinjektoren in
einer vertikalen Ebene in Umfangsrichtung um den Umfang einer ringförmigen Brennkammer
angeordnet. Infolgedessen sind die Injektoren an relativ unterschiedlichen
Höhen angeordnet
und haben somit entsprechend unterschiedliche Fluiddrucksäulen, die
ihren Positionen zugeordnet sind.
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Der
Aufbau der Brennstoffverteilungseinrichtung muß deshalb auch die maximale
Fluidsäule
berücksichtigen,
die zwischen den obersten und untersten Injektoren besteht, wenn
eine gleichförmige Brennstoffverteilung
an alle Injektoren erreicht werden soll.
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Jede
Brennstoffleitung für
einen Injektor sollte deshalb einen ausreichenden Druckverlust aufweisen,
um diese maximale Fluiddruckdifferenz zu überwinden, damit sichergestellt
ist, daß der
unterste Injektor nicht mehr Brennstoff erhält als der oberste Injektor.
Dieses Problem tritt insbesondere bei langsamen Strömungsgeschwindigkeiten
auf, da dieser maximale Druckunterschied dann signifikant wird relativ zu
dem für
die Brennstoffströmung
sorgenden Druck, der durch die Brennstoffpumpe entwickelt wird.
Somit ist es notwendig, die Brennstoffverteilungseinrichtung so
aufzubauen, daß die
Druckverluste in der Injektorbrennstoffleitung bei kleinen Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
genügend
hoch sind, um diese unterschiedliche Drucksäule aufzunehmen, und trotzdem
sollten sie bei großen
Strömungsgeschwindigkeiten
des Brennstoffes nicht so groß sein, daß eine übermäßig große Durckbeaufschlagung des
Brennstoffes erforderlich ist. Es ist auch wichtig, daß der Druckverlust
in jeder der zahlreichen Brennstoffleitungen über dem gesamten Betriebsbereich des
Triebwerkes gleichförmig
ist, um eine Brennstoffehlverteilung zu vermeiden, und er sollte
auch so klein wie möglich
sein für
einen maximalen Wirkungsgrad der Brennstoffverteilung.
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Bisher
wurde diesen Überlegungen
durch die Verwendung von recht komplizierten und relativ teuren
Strömungsverteilungs- und Brennstoffzumeßventilen
Rechnung getragen, um eine gleichförmige Brennstoffverteilung über dem
Betriebsbereich des Triebwerkes zu erreichen, Da eines dieser Ventile
in jeder Injektorbrennstoffleitung enthalten ist und ein typisches
Gasturbinentriebwerk eine Vielzahl von Brennstoffinjektoren verwendet,
beispielsweise 12 oder mehr, stellen diese Ventile eine wesentliche Kostengröße dar,
insbesondere bei kleinen Gasturbinentriebwerken, d.h. kleinere als
3000 PS. Diese Ventile, die mechanisch oder fluidisch sein können, arbeiten
typisch automatisch in Abhängigkeit
von dem Brennstoffdruck, um die erforderlichen variablen Widerstände gegenüber der
Brennstoffströmung
zu bilden, d.h. Druckverluste in den Injektorbrennstoffleitungen
zu erzeugen, die so berechnet sind, daß eine gleichförmige Brennstoffverteilung über dem
Betriebsbereich des Triebwerks erhalten wird.
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Weiterhin
kann die Betriebssicherheit der die Strömung unterteilenden und den
Brennstoff zumessenden Arbeitsgänge
dieser Ventile durch irgendwelche Verunreinigungen in dem Brennstoff
beeinträchtigt
werden. Deshalb erfordern diese Ventile typisch eine periodische
Wartung und in einigen Fällen
eine Auswechselung.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennstoffverteilungseinrichtung
für Brennkammern
von Gasturbinentriebwerken zu schaffen. Dabei soll das Erfordernis
für ein
die Strömung
verteilendes und zumessendes Ventil in jeder der Injektorbrennstoffleitungen
vermieden werden. Es ist auch für
eine gleichförmige
Brennstoffverteilung über
dem gesamten Bereich von Betriebsbedingungen des Triebwerks zu sorgen,
während
der Energie- oder Druckverlust in den einzelnen Brennstoffleitungen
auf ein Minimum gesenkt werden soll. Der Druckverlust in den einzelnen
Brennstoffleitungen soll ferner über
dem Bereich der Betriebsbedingungen von Abstieg bis maximale Leistung
ausgeglichen sein.
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Es
soll ferner erreicht werden, daß die Brennstoffverteilungseinrichtung
relativ unempfindlich ist, durch Verunreinigungen im Brennstoff
verstopft zu werden. Schließlich
soll die zu schaffende Brennstoffverteilungseinrichtung billig auszuführen sein,
einen guten Wirkungsgrad im Betrieb haben und über einer langen Betriebsdauer
sicher arbeiten.
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Es
wurde gefunden, daß,
wenn ein vorbestimmter laminarer Brennstoffströmungszustand in jeder der zahlreichen
Injektorbrennstroffleitungen einer Brennstoffverteilungseinrichtung
für die
Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks ausgebildet wird, ein geeigneter
Strömungswiderstand
oder Druckabfall in Abhängigkeit
von der Brennstoffströmungsgeschwindigkeit
erzielt werden kann, um eine gleichförmige Brennstoffverteilung
nicht nur bei großen
Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
sondern insbesondere auch bei kleinen Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
sicherzustellen, ohne daß die Strömung unterteilende
und den Brennstoff zumessende Ventile eingesetzt werden müssen. Dementsprechend
wird gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung eine Brennstoffverteilungseinrichtung geschaffen, die
einen Verteiler aufweist, in den unter Druck stehender Brennstoff
eingeführt
wird. In getrennter Strömungsverbindung
mit dem Verteiler stehen mehrere Brennstoffleitungen, die jeweils
zu einem anderen von mehreren Brennstoffinjektoren oder- düsen führen, die
in einer vertikalen Ebene um den Umfang der Brennkammer der Gasturbine
angeordnet sind. In jeder dieser Brennstoffleitungen ist ein für eine laminare
Brennstoffströmung
sorgendes Element enthalten, das in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung einfach ein Rohr mit einem vorbestimmten Durchmesser
ist, der so berechnet ist, daß er
eine laminare Strömung
des Brennstoffes ausbildet und beibehält, der über einem Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten
von Abstieg bis wenigstens nahe maximale Leistung zugeführt wird.
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Indem
dann geeignete Längen
für diese
eine laminare Strömung
ausbildende Röhren
gewählt werden,
kann das gewünschte
Verhältnis
von Druckabfall zu Strömungsgeschwindigkeit
in jeder Brennstoffleitung ausgebildet werden, um eine gleichförmige Brennstoffverteilung über dem
gesamten Betriebsbereich sicherzustellen, infolgedessen erfüllen diese
für eine
laminare Strömung
sorgenden Elemente oder Röhren
auf effektive Weise die Strömungsverteilungs-
und Zumessfunktionen, die bisher von teuren mechanischen und fluidischen
Ventilen ausgeführt
wurden.
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Die
Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der
Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 ist
eine schematische Darstellung von einer Brennstoffverteilungseinrichtung
für die
Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 ist
eine schematische Darstellung von einer Brennstoffverteilungseinrichtung
gemäß einem anderen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Bei
der Brennstoffverteilungseinrichtung gemäß dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird Brennstoff, der durch eine geeignete Pumpe (nicht
gezeigt) unter Druck gesetzt ist, bei 10 in einen Verteilerblock 12 eingeführt für eine parallele
Verteilung über
mehrere Brennstoffleitungen 40 zu einer entsprechenden
Anzahl von üblichen Brennstoffinjektoren
oder- Düsen 16,
die in einer im wensentlichen vertikalen Ebene um den Umfang einer
ringförmigen
Brennkammer 18 in einem Gasturbinentriebwerk angeordnet
sind. In Wirklichkeit ist selbstverständlich die Anzahl der Brennstoffleitungen und
Injektoren wesentlich größer als
die vier Leitungen, die in 1 dargestellt
sind. Jede Brennstoffleitung enthält einen Schlauch 20 und
ein Rohr 22, die Ende-an-Ende in einer Fluidverbindungsrelation
verbunden sind, Die Röhren 22 haben
vorzugsweise alle gleichförmige
Längen
und Innendurchmesser, und somit haben die Schläuche 20, die übliche Flugzeugschläuche sein
können,
notwendigerweise unterschiedliche Längen, um die unterschiedlichen
Abstände
von den verschiedenen Injektoren 16 zum Verteilerblock 12 auszugleichen.
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Gemäß der Erfindung
ist der Durchmesser der Röhren
22 so
gewählt,
daß eine
laminare Strömung
des Brennstoffes ausgebildet wird, der durch jede der Brennstoffleitungen
14 transportiert
wird. Wie in der Strömungstechnik
bekannt ist, ist eine Fluidströmung
durch eine Leitung mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt entweder
laminar oder turbulent, was von dem Verhältnis der Trägheit zu den
viskosen Kräften
abhängt,
die auf das Strömungsmittel
einwirken. Dieses Verhältnis,
das auf eine dimensionslose Zahl reduziert ist, die üblicherweise
als die Reynolds-Zahl (R) bekannt ist, wird wie folgt ausgedrückt:
wobei q die Strömungsmitteldichte,
d der Innendurchmesser der Leitung, V die mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit
und μ die
Strömungsmittelviskosität sind.
Für Reynolds-Zahlen
unter etwa 2300 ist die Fluidströmung
laminar, wogegen oberhalb von etwa 2300 die Fluidströmung turbulent
ist.
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Indem
also die Dichte und Viskosität
des Brennstoffes einschließlich
der Änderungen
dieser Größen aufgrund
von Temperatur und die gewünschte
maximale Brennstoffströmungsgeschwindigkeit berücksichtigt
werden, wird der Innendurchmesser der Röhren 22 so gewählt, daß die Reynolds-Zahl 2300
nicht überschreitet über einem
Bereich von Betriebsbedingungen, die an die maximale Leistung wenigstens
heranreichen. Diese für
eine laminare Strömung
sorgenden Röhren
sollten eine angemessense glatte Bohrung haben, um eine laminare
Strömung
zu gewährleisten,
und sie können
die Form von gezogenen Röhren
haben, die aus einem geeigneten Metall, wie beispielsweise rostfreiem
Stahl oder INCO 625, oder aus einem geeigneten Kunststoff bestehen,
wie beispielsweise Tetrafluorethylen (Handelsname Teflon). Der Innendurchmesser
der Schläuche 20 ist
so gewählt,
daß er
eine ausreichend große
Abmessung hat, beispielsweise das vierfache oder mehrfache des Durchmessers
der Röhren 22,
um für
einen vernachlässigbaren
Druckabfall der Brennstoffströmung selbst
bei maximalen Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
zu sorgen.
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Gemäß der Hagen-Poiseull'schen Formel kann
der Druckverlust bzw.- Abfall (ΔP)
in einem Rohr für
eine laminare Strömung
wie folgt ausgedrückt
werden:
darin ist μ die Fluidviskosität, L ist
die Rohrlänge,
Q ist die Fluidströmungsgeschwindigkeit
und d ist der Rohrinnendurchmesser. Aus dieser Formel ist ersichtlich,
daß der
Druckabfall direkt proportional zur Rohrlänge und Strömungsgeschwindigkeit ist. Wenn also
der erforderliche Rohrinnendurchmesser für eine laminare Strömung gewählt ist,
braucht nur noch die bevorzugte gleichförmige Länge für die Röhren
22 gewählt zu werden,
die so berechnet wird, daß eine äquivalente
Relation zwischen Druckabfall und Brennstoffströmungsgeschwindigkeit in jeder
Brennstoff leitung
14 ausgebildet wird, um die Strömungsverteilungs-
und Brennstoffzumeßfunktionen
auszuführen,
die erforderlich sind, um eine gleichförmige Brennstoffverteilung
zu den verschiedenen Injektoren über
dem gesamten Bereich von Abstieg bis maximaler Leistung zu erreichen.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil aus der Verwendung von Röhren 22 für eine laminare
Strömung
besteht darin, daß,
wie bereits erwähnt
wurde, der Druckabfall bei laminaren Strömungszuständen direkt proportional zu
der Strömungsgeschwindigkeit
der ersten Potenz ist, wogegen, wie es in der Strömungstechnik bekannt
ist, unter turbulenten Strömungszuständen der
Druckabfall direkt proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit
ist. Somit wird deutlich, daß bei
laminaren Strömungszuständen große Änderungen
in der Brennstoffströmung
mit kleineren Änderungen
im Druckabfall aufgenommen werden können. Aufgrund der linearen
Relation zwischen dem Druckabfall und der Strömungsgeschwindigkeit unter laminaren
Strömungszuständen unterstützt also
eine gegebene Vergrößerung im
Druckabfall eine direkt proportionale Vergrößerung der Brennstoffströmung. Infolgedessen
besteht eine kleinere Belastung für die Brennstoffpumpe, um die
Leistung (Brennstoffströmungsgeschwindigkeit)
zu erhöhen,
was zu einem bedeutenden Vorteil wird, wenn Gasturbinentriebwerke
altern. Darüberhinaus
ergibt sich hieraus die Möglichkeit,
die maximale Leistung eines Triebwerks in einem begrenzten Maß zu vergrößern, ohne
daß eine
vorhandene Brennstoffpumpe ausgewchselt werden muß.
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Die
Fluidsäule
von jedem Brennstoffinjektor 16 ist der statische Fluiddruck
von einer Fluidsäule mit
einer Höhe,
die gleich der Höhe
von jedem Injektor relativ zu einer Bezugsebene ist.
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Somit
ist die maximale Fluidsäulendifferenz, die überwunden
werden muß,
um eine Fehlverteilung des Brennstoffs zu vermeiden, die Höhendifferenz zwischen
den obersten und untersten Brennstoffinjetoren.
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Bei
der Anpassung einer Brennstoffverteilungseinrichtung an ein bestimmtes
Gasturbinentriebwerk gibt es zwei Hauptauslegungspunkte für die Betriebskurve
des erforderlichen Druckabfalls in Abhängigkeit von der Brennstoffströmungsgeschwindigkeit,
die erfüllt
werden müssen.
Der eine ist der Auslegungspunkt für eine große Brennstoffströmungsgeschwindigkeit,
der einer oberen Grenze des Druckabfalls entspricht, den die Brennstoffpumpe überwinden
können
muß. Der
andere ist der Auslegungspunkt für
eine kleine Brennstoffströmungsgeschwindigkeit
entsprechend eines minimalen Druckabfalls, der trotzdem ausreichend
ist, um eine Fehlverteilung des Brennstoffs bei Betriebsbedingungen mit
kleiner Leistung, beispielsweise Abstieg und Leerlauf zu verhindern,
aufgrund der laminaren Brennstoffströmungszustände, die in jeder Brennstoffleitung
durch die für
eine laminare Strömung
sorgenden Röhren 22 ausgebildet
werden, kann die Betriebskurve auf einfache Weise so gelegt werden, daß sie diese
Auslegungspunkte für
große
und kleine Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
schneidet, da es eine gerade Linie ist (der Druckabfall ist proportional
zur ersten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit).
Ohne diese für
eine laminare Strömung
sorgenden Röhren
würden
die turbulenten Brennstoffströmungszustände, die
durch die Brennstoffinjektoren und irgendwelche Trimm- oder Konditionieröffnungen hervorgerufen
werden, die in die Brennstoffleitungen eingebaut sind, eine exponentiale
Betriebskurve zur Folge haben, da bei turbulenter Strömung der
Druckabfall proportional zur zweiten Potenz der Brennstoffströmungsgeschwindigkeit
ist. Wenn diese exponentiale Betriebskurve so ausgelegt wird, daß sie den Auslegungspunkt
für eine
hohe Strömungsgeschwindigkeit
erfüllt,
sind die Druckverluste bzw. Druckabfälle, die durch alle Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
unterhalb dieses Auslegungspunktes erzeugt werden, ständig kleiner
als die Druckverluste, die durch entsprechend kleinere Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
unter laminaren Strömungszuständen erzeugt
werden (Strömungsgeschwindigkeit proportional
zur Quadratwurzel des Druckabfalles für turbulente Strömung gegenüber Strömungsgeschwindigkeit
proportional zum Druckabfall für
laminare Strömung).
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Somit
ist ersichtlich, daß bei
kleinen Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
ein unzureichender Druckabfall unter turbulenten Brennstoffströmungszuständen besteht,
um die maximale Fluiddruckdifferenz zwischen den obersten und untersten Brennstoffinjektoren
zu überwinden,
und infolgedessen sind Brennstoffströmungsverteilungs-und-Zumeßventile
erforderlich, um eine Brennstoffehlverteilung dazwischen zu vermeiden
durch gesteuerte Herbeiführung
des erforderlichen erhöhten
Druckabfalls. Im Gegensatz dazu liefern die eine laminare Strömung ausbildenden
Röhren 22 den
erforderlichen Druckabfall in und durch sich selbst, und somit ist
ihre Einfügung
in jede Brennstoffleitung eine eminent praktische Lösung für dieses
Problem der Brennstoffehlverteilung bei kleinen Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten.
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Für gewisse
Triebwerksapplikationen kann es notwendig werden, für eine gewisse
Anpassung der Beziehung zwischen dem Druckabfall und der Brennstoffströmungsgeschwindigkeit
zu sorgen, um eine gleichförmige
Brennstoffverteilung auf die verschiedenen Injektoren zu erreichen,
während
eine vorbestimmte Relation des Brennstoffdruckes zur Ausgangsleistung
beibehalten wird. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, daß in jeder
Brennstoffleitung 14 wenigstens eine Konditionieröffnung eingebaut
sein kann, die in 1 bei 24 an oder unmittelbar
neben dem Eingang zu jeder Brennstoffleitung 14 von dem
Verteilerblock 12 angeordnet ist. Wenn eine zusätzliche
Konditionieröffnung
vorgesehen sein soll, kann sie in jedes laminare Strömungsrohr 22 eingefügt werden,
wie es als ein Beispiel bei 26 gezeigt ist. Das Vorhandensein
der Konditionieröffnung 26 wird
zwar einen lokalisierten turbulenten Strömungszustand hervorrufen, aber
eine laminare Strömung
wird in einem Abstand von mehreren Rohrdurchmessern stromabwärts davon
wieder hergestellt. Diese dargestellten Positionen für die Konditionieröffnungen
in den Brennstoffleitungen sind nur beispielhaft, da ihre Positionen
nicht kritisch sind. Ihre einzige Bedeutung ist der Beitrag ihrer
Druckabfallcharakteristiken zu denjenigen der Laminarströmungsröhren bei
der Anpassung einer Brennstoffströmungskurve, um einem bestimmten
Anwendungsfall zu genügen.
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2 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei dem jede Brennstoffleitung, die von dem Verteilerblock 12 zu
den einzelnen Injektoren 16 führt, vollständig durch ein Laminarströmungsrohr 28 gebildet
wird. Aus den oben beschriebenen Gründen hat jedes Rohr vorzugsweise
die gleiche Länge.
Die vorgeschriebene Rohrlänge
wird bestimmt durch den Abstand zwischen dem Verteilerblock und
dem am entferntesten angeordneten Injektor plus irgendeiner zusätzlichen
Länge,
die zur Ausbildung der gewünschten
Druckabfallcharakteristik erforderlich ist.
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Die
in gestrichelten Linien dargestellten Abschnitte der Laminarströmungsröhren, die
zu den weniger entfernten Injektoren führen, sollen ihre weitläufigen Verlegungen
andeuten, um diese vorgeschriebene Länge auszubilden. Selbstverständlich sollten
diese weitläufigen
Verlegungen mit sehr mäßigen Biegungen
ausgeführt
werden, damit die laminare Strömung
des hindurchtretenden Brennstoffes nicht wesentlich gestört wird.
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Zusätzlich zu
den vorstehend beschriebenen Vorteilen der Erfindung wurde gefunden,
daß der
Innendurchmesser der für
eine laminare Strömung
sorgenden Röhren
recht groß sein
kann, beispielsweise 1 mm (0,04''), im Vergleich zu
irgendwelchen Konditionieröffnungen
in den Brennstoffleitungen, die Innendurchmesser von nicht weniger
als 0,5 mm (0,021'') haben, und infolgedessen
sind diese Röhren
praktisch unempfindlich gegenüber einer
Verstopfung durch irgenwelche Verunreinigungen in dem Brennstoff.
Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Verwendung von Konditionieröffnungen
zu vermeiden, wenn dies möglich
ist.
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Vorstehend
wurde zwar die Erfindung in Verbindung mit dem Laminarströmungselement
in jeder Brennstoffleitung beschrieben, das die Form eines Rohrs
oder einer Röhre
hat, aber es sei darauf hingewiesen, daß dieses Element auch andere
Formen haben kann und trotzdem für
die gewünschte
Relation des Druckabfalls gegenüber
der Strömungsgeschwindigkeit
sorgt. Eine derartige alternative Form ist ein poröses Medium,
wie beispielsweise ein gesinteter Metallblock. Poröse Materialien
leiden aber unter dem offensichtlichen Nachteil, daß sie durch
Verunreinigungen im Brennstoff leicht verstopft werden.
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Somit
ist deutlich geworden, daß die
Erfindung eine Brennstoffverteilungseinrichtung schafft, die besonders
einfach in ihrem Aufbau und zuverlässig in ihrem Betrieb bei der
gleichförmigen
Verteilung von Brennstoff auf mehrere Brennstoffinjektoren über einem
weiten Bereich von Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten
in einer effizienten und praktischen Weise ist.
