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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Gasturbinenmotorverbrennungsanlage und Mittel
zum Mischen von Brennstoff und Luft in einem mit Gas betriebenen
Motor, insbesondere Gasbrennstoff mit niedrigem Heizwert verwendende
Gasturbinenmotoren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Brennstoff-Luft-Mischmittel
(Brenner) zur Bereitstellung des brennbaren Mediums für Gasturbinenmotorbetrieb
liegen gemäß Herstellerpräferenz in vielen
verschiedenen Formen vor. Ein Hersteller könnte sich auf eine bestimmte
Brennerart spezialisiert haben und wird, wann immer möglich, diese Brennerart
anpassen, um der Motorbetriebsart zu entsprechen, zum Beispiel um
ungewöhnliche
oder besondere Brennstoffarten zu verbrennen.
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Die
Anmelderin dieser Schrift hat bereits eine Verbrennungsanlage entworfen,
die einen Brenner des Verwirbelungsvorrichtungstyps mit radialem
Zufluss enthält.
Manchmal ist es wünschenswert,
wenn Brennstoffgas mit niedrigem Heizwert (LCV-Brennstoff, LCV – low calorific
value) aus zum Beispiel einem Kohlevergasungsprozess verbrannt werden kann.
Zu Schwierigkeiten bei der Verwendung eines solchen Brennstoffes
gehören,
dass das für
eine gegebene Ausgangsleistung erforderliche Brennstoffvolumen bei
Vergleich mit zum Beispiel Flüssigbrennstoffen
mit hohem Heizwert (HCV – high
calorific value) im Verhältnis
zum Luftvolumen vergleichsweise groß ist. Zwischen diesen Extremen
gibt es bedeutende Unterschiede hinsichtlich unter anderem Brennstoffeinspritzposition,
Strömungsrichtung
und Durchflüsse
zum Erreichen eines besten Vermischens von Luft und Brennstoff.
Wenn ein LCV-Brennstoff eine relativ hohe Flammgeschwindigkeit aufweist,
wobei es sich bei der Flammgeschwindigkeit um die Rate handelt,
mit der sich eine Flamme in einem Gemisch ausbreitet (die zum Beispiel
dann hoch ist, wenn es einen hohen Wasserstoffanteil enthält), besteht
eine größere Gefahr
einer Brennstoffvorzündung.
Wenn dies in Teilen des Brenners erfolgt, die nicht für eine Flammenaufnahme
bestimmt sind, können
Komponenten des Brenners beschädigt
werden.
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Brennerkonstruktionen,
die die Bildung kleiner Bereiche von rezirkulierendem Luft/Brennstoff-Gemisch
in der Nähe
einer Brennerkomponentenfläche
fördern,
können
nachteilig sein, weil eine Flamme in solch einem Bereich stabilisiert
werden kann und praktisch statisch ist. Sie kann sich dann an die
Brennerfläche
anheften und sie wegbrennen.
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Für den Fachmann
liegt auf der Hand, dass LCV-Brennstoff mit niedrigem Heizwert ungefähr 20–60% des
Luft-Brennstoff-Volumens
umfassen kann, um die erforderliche Motorleistung zu erreichen.
Das Einleiten großer
Brennstoffmengen in eine Zufluss-Verwirbelungsanlage führt schlechthin
zu ganz anderen Problemen als die von HCV-Brennstoffen, bei denen
gewöhnlicher
geringere Volumen solchen Anlagen zugeführt werden.
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Dem
Fachmann stellen sich zwei Hauptoptionen, das korrekte Brennstoffvolumen
zum Mischen mit Luft zu erreichen. Entweder muss der Brennstoff mit
relativ hohem Druck durch kleine Öffnungen in den Luftstrom gespritzt
werden, oder er kann mit relativ geringem Druck durch große Öffnungen
gespritzt werden. Während
ein Hochdruckstrom durch kleine Öffnungen
für HCV-Brennstoffe
zwar typisch ist, ist ein Niederdruckstrom durch große Öffnungen untypisch.
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Es
hat sich herausgestellt, dass das Einspritzen von großen Brennstoffmengen
mit hohem Druck durch kleine Öffnungen
zu Turbulenzen in dem Luft-/Gasstrom führt, und dies ist insbesondere
dort der Fall, wo der Brennstoff in einem gewissen Winkel zum Luftstrom
eingespritzt wird. Während
dies bei Handhabung von HCV-Brennstoffen mit niedrigem Volumen und hohem
Heizwert (wo es ein besseres Vermischen fördert) vorteilhaft sein kann,
hat es sich bei LCV-Brennstoffen als nachteilig herausgestellt, und
zwar insbesondere dort, wo solche Brennstoffe eine relativ hohe
Flammgeschwindigkeit aufweisen. Wie bereits erwähnt, kann sich eine Flamme
in solchen Fällen
in einem Rezirkulationsbereich (praktisch einem statischen Bereich)
niederlassen und dann an einen Rand der Verwirbelungsvorrichtungsteile,
zum Beispiel an den Austrittskanten von Schaufeln, heften. Sollte
dies geschehen, könnte
die Flamme das Metall letztendlich wegbrennen.
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Neben
mit besonderen Brennstoffen in Verbindung stehenden Schwierigkeiten
müssen
alle neuen Gasturbinenverbrennungsanlagen immer restriktivere Umweltverschmutzungsnormen
bezüglich an
die Atmosphäre
abgelassenen Verbrennungsabgasprodukten erfüllen.
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Die
US 5,674,066 und
US 5,169,302 beschreiben
Brenner, bei denen die Auslässe
von Luft- und Brennstoffkanälen
tangential zu gedachten Kreisen bezüglich eines senkrecht zur Brennerachse
verlaufenden Schnitts angeordnet sind. Der gedachte Kreis für die Luftkanäle weist
einen anderen Durchmesser auf als der gedachte Kreis der Brennstoffkanäle. Durch
diese Anordnung wird erreicht, dass Brennstoff- und Luftströme parallel
in den Brenner strömen.
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Darüber hinaus
beschreibt die
US 5,169,302 ,
dass die Kanäle
so ausgeführt
sind, dass sich die Luft und der Brennstoff am Mischort mit fast gleicher
Geschwindigkeit treffen.
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Die
EP 0 957 311 A2 beschreibt
eine Gasturbinenmotorbrennkammer mit einem Brennstoff/Luft-Mischmittel, in dem
Luftkanäle
tangential zu einem gemeinsamen gedachten Kreis, der auf der gleichen
Achse wie die Vorkammer zentriert ist, angeordnet sind. Die Brennstoffkanäle sind
in Axialrichtung der Vorkammer angeordnet, und die Brennstoffeinlässe sind
so angeordnet, dass die Brennstoffströme in Axialrichtung der Vorkammer,
das heißt senkrecht
zu den Luftströmen,
in die Luftströme
eintreten.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Deshalb
besteht ein Ziel der bevorzugten Durchführungsweise der vorliegenden
Erfindung darin, einen Brenner des Verwirbelungsvorrichtungstyps
mit radialem Zufluss bereitzustellen, der Gasbrennstoff der LCV-Art
zufriedenstellend mit Luft vermischt, um eine kontrollierte Verbrennung
in einer stromabwärtigen
Brennkammer zu ermöglichen,
und was zu Motorabgasverunreinigungspegeln, insbesondere CO, innerhalb
annehmbarer Grenzen führt.
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Demgemäß stellt
die vorliegende Erfindung zur Überwindung
der mit bekannten Brennern in Verbindung stehenden Probleme gemäß einem
Aspekt eine Gasturbinenmotorverbrennungsanlage bereit, die in Strömungsfolge
Folgendes umfasst: eine Verwirbelungsvorrichtung mit radialem Zufluss
zum Vermischen von gasförmigem
Brennstoff und Luft, eine Verbrennungsvorkammer und eine Verbrennungshauptkammer,
wobei die Verwirbelungsvorrichtung, die Vorkammer und die Hauptkammer
eine gemeinsame Längsachse
aufweisen, wobei die Verwirbelungsvorrichtung Luft- und Gasbrennstoffkanäle umfasst,
die winkelförmig
um die Hauptkammer herum angeordnet sind, wobei die Kanäle tangential
zu einem auf der gemeinsamen Längsachse
zentrierten gedachten Kreis ausgerichtet sind, um dadurch im Betrieb
die Brennstoff- und Luftströme
mit einer gemeinsamen Verwirbelungsbewegung zu beaufschlagen, wenn
sie aus den Kanälen
in die Vorkammer eintreten, wobei jeder Gasauslasskanal einen sich bezüglich der
Verwirbelungsrichtung unmittelbar stromabwärts eines Ausgangs eines Luftversorgungskanals
befindenden Ausgang aufweist und bezüglich des Luftversorgungskanals
so bemessen ist, dass zumindest bei einem vorbestimmten Leistungszustand
des Motors die mittlere Massengeschwindigkeit der Gas- und Luftströme an dem
gedachten Kreis einander ähnlich
oder eng aufeinander abgestimmt sind. Bei dem gedachten Kreis, auf
den die Kanäle tangential
ausgerichtet sind, handelt es sich um einen einzigen Kreis, der
allen um die Vorkammer angeordneten Gasbrennstoff- und Luftkanälen gemein ist.
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Jeder
Gasbrennstoffkanal enthält
vorzugsweise ein Mittel zur Drosselung des Brennstoffstroms. Das
Drosselmittel kann vorzugsweise am Eingang des Brennstoffkanals
einen engen, das heißt
einen einen verminderten Querschnitt aufweisenden, Teil des Brennstoffkanals
umfassen.
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Das
Verhältnis
der Fläche
des gedrosselten oder engen Teils des Brennstoffkanals zum Rest
des Kanals kann im Bereich von 1:1,1 bis 1:1,7 liegen und beträgt vorzugsweise
1:1,4.
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Die
Kanäle
verlaufen vorzugsweise in einem geneigten Winkel zu Radien der Verwirbelungsvorrichtung,
so dass die Kanäle
an den radial inneren Enden tangential zu einem gedachten Kreis
austreten, der auf der gleichen Achse wie eine sich stromabwärts des
Mischmittels befindende Verbrennungsvorkammer zentriert ist. Der
Durchmesser des gedachten Kreises beträgt vorzugsweise zwischen dem 0,7-
und 1,0-Fachen des Durchmessers der Verbrennungsvorkammer.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoff/Luft-Mischmittel
zum Einbau in den Brenner eines gasbetriebenen Motors bereitgestellt,
wobei das Mischmittel Brennstoffkanäle und Luftkanäle zum Einleiten
von Brennstoff und Luft in eine Brennkammer aus einer radial äußeren Position in
eine radial innere Position bezüglich
einer konzentrisch mit der Brennkammer verlaufenden Achse aufweist,
wobei jeder Gasbrennstoffkanal einen Ausgang aufweist, der sich
bezüglich
einer Verwirbelungsrichtung des Brennstoffes und der Luft in der Brennkammer
unmittelbar stromabwärts
eines Ausgangs eines Luftkanals befindet, wobei die radial inneren
Enden der Kanäle
im Wesentlichen tangential zu einem gemeinsamen gedachten Kreis
verlaufen, der auf der gleichen Achse wie die Kammer zentriert ist.
Die Gasbrennstoffkanäle
sind bezüglich
der Luftkanäle
wieder so bemessen, dass zumindest in einem vorbestimmten Leistungszustand
des Motors die mittlere Massengeschwindigkeit des Brennstoffes und
der Luft an ihrem gedachten Kreis einander ähnlich sind.
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Die
Brennstoff- und Luftkanäle
verlaufen vorzugsweise abwechselnd um den Umfang der Achse. Des
Weiteren sind die Kanäle
vorzugsweise in einem geneigten Winkel zu Radien eines Mischmittels
des Verwirbelungsvorrichtungstyps mit radialem Zufluss angeordnet.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
jeder Brennstoffgaskanal ein Mittel zum Glätten der Gasströmung. Das
Glättungsmittel
wirkt auch als Drossel und kann eine sich quer über den Kanal erstreckende
Platte umfassen, durch die hindurch mehrere Öffnungen ausgebildet sind.
Die Öffnungen sind
zweckmäßigerweise
kreisförmig,
obgleich als Alternative auch andere Formen eingesetzt werden können, und
sie können
in einem Gittermuster oder willkürlich
angeordnet sein. Zweckmäßiger sind
in jeder Platte zwölf Öffnungen
ausgebildet, obgleich auch mehr oder weniger Öffnungen verwendet werden können. Die
Platten sind zweckmäßigerweise
in einander gegenüberliegenden
Nuten in den Seitenwänden
jedes Kanals an einer zwischen dessen Enden liegenden Stelle angeordnet.
Obgleich es wünschenswert
sein kann, die Platten, zum Beispiel durch Schweißen, dauerhaft
in Position zu befestigen, kann es als Alternative dazu zweckmäßig sein, wenn
die Platten entfernbar in den Nuten angebracht sind, damit sie zum
Beispiel bei einem Brennstoffgaswechsel gegen Platten mit einer
alternativen Konfiguration ausgetauscht werden können.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung einen gasbetriebenen Gasturbinenmotor,
der ein Brennstoff/Luft-Mischmittel nach einem der vorhergehenden
Absätze
aufweist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben;
darin zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine Brenner- und Brennkammeranordnung, die mit einer
Zufluss-Verwirbelungsvorrichtung der von der Erfindung verwendeten
Art ausgestattet ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
auf den Schnitt A-A von 1, die eine Verwirbelungsvorrichtung
gemäß der Erfindung
ausführlicher
zeigt;
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3 eine
perspektivische Endansicht der Verwirbelungsvorrichtung von 2;
und
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Verwirbelungsvorrichtung gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der dargestellten Ausführungsform
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine bekannte Art von Brenner- und Brennkammeranordnung
für einen
Gasturbinenmotor, bei der ein Brennerkopf 1 mit einer Luft/Brennstoff-Mischverwirbelungsvorrichtung 2 an
dem stromaufwärtigen
Ende einer Brennkammer befestigt ist und die in Strömungsreihenfolge eine
Verbrennungsvorkammer 3 und eine Verbrennungshauptkammer 4 umfasst.
Es ist zu sehen, dass die Vorkammer 3 einen deutlich kleineren
Durchmesser und eine deutlich kleinere Querschnittsfläche als die
Hauptkammer 4 aufweist, und es gibt einen kurzen Übergangsbereich,
in dem sich der Kammerdurchmesser von der Vorkammer zur Hauptkammer nach
außen
hin aufweitet. Eine Leitung 5 ist für LCV-Gasbrennstoffzufuhr zum Brenner vorgesehen. Pfeile 6, 7 und 8 zeigen
die Luftstromrichtung zum Brennerverwirbelungsvorrichtungseinlass,
das Brennstoff-Luft-Gemisch für
die Verbrennung bzw. die Verbrennungsprodukte selbst, wobei diese
Produkte den Motorturbinenabschnitt stromabwärts (nicht gezeigt) durchströmen, um
Arbeit zu verrichten, und sie werden dann an die Atmosphäre abgegeben.
Der Hauptverbrennungsbereich in der Brennkammer wird bei 9 gezeigt.
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In
der in 2 gezeigten vergrößerten Ansicht auf Schnitt
A-A von 1 enthält das Verwirbelungsvorrichtungselement 2 mehrere
Verwirbelungsvorrichtungsschaufeln 10, wobei zur Veranschaulichung
sechs solche Schaufeln gezeigt werden. Luftversorgungskanäle 11 sind
zwischen benachbarten Schaufeln definiert, und die zuströmende Luft
strömt durch
diese, um in die Vorkammer an ihrem Außenumfang einzutreten. Jede
Schaufel 10 ist mit einem Brennstoffauslasskanal 14,
einer Drossel 13, die bei dieser Ausführungsform einen Kanalteil
mit einer kleineren Breite als der Brennstoffauslasskanal 14 umfasst,
und einer LCV-Brennstoffgasöffnung 12 (als ein
gestrichelter Kreis gezeigt), die über einen Kanal oder eine andere
Form von Verbindung im Brennerkopf 1 mit der Leitung 5 verbunden
ist (1), ausgebildet. Die in den Schaufeln 10 ausgebildeten Brennstoffkanäle 14 und
die zwischen den Schaufeln ausgebildeten Luftkanäle 11 erstrecken sich
vom Außenumfang
der Verwirbelungsvorrichtung in im Vergleich zur Radialrichtung
der Verwirbelungsvorrichtung geneigten Winkeln nach innen. Infolgedessen treten
die Auslassenden beider Kanalsätze
an einem radial inneren Teil der Verwirbelungsvorrichtung hervor,
so dass sie tangential zu einem (gestrichelt gezeigten) gedachten
Kreis 15, der zur Verwirbelungsvorrichtung und zur Vorkammer
konzentrisch ist, liegen. Somit treten die Luft und der Brennstoff
mit einer Verwirbelungsbewegung um ihre Längsmittellinie in die Vorkammer
ein, wodurch ein gutes Vermischen des Brennstoffes und der Luft
gefördert
und die Stabilisation der Verbrennung in der Hauptkammer unterstützt wird.
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Zweckmäßigerweise
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass „Verwirbelungsvorrichtung
mit radialem Zufluss" ein Fachbegriff
ist, der Verwirbelungsvorrichtungen dieser Art umfasst, da die Luft- und
Brennstoffzuflüsse
durch die Verwirbelungsvorrichtungskanäle Geschwindigkeitskomponenten
in Radialrichtung aufweisen.
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Die
Details der Verwirbelungsvorrichtung 2 mit ihren Schaufeln 10 und
Kanälen 11 und 14 sind
in der perspektivischen Ansicht des in 3 gezeigten Verwirbelungsvorrichtungselements
deutlicher sichtbar.
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Im
Betrieb strömt
das LCV-Gas unter Druck durch gestrichelt gezeigte Öffnungen 12 (2),
tritt durch die Drosseln 13 in die Brennstoffauslasskanäle 14 ein
und verlässt
den Kanal 14 in den aus dem Luftkanal 11 hervortretenden
Luftstrom. Zu diesem Zeitpunkt beginnt das Mischen von Brennstoff
und Luft und wird fortgeführt,
während
das Gemisch weiter stromabwärts
strömt,
so dass bis zu dem Zeitpunkt, zu dem es die Hauptverbrennungszone 9 erreicht, eine
gründliche
Mischung erreicht ist.
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Aus
den 2 und 3 geht hervor, dass die gemeinsame
tangentiale Ausrichtung des Luft- und Brennstoffkanals 11, 14 derart
ist, dass die jeweiligen Gasströme
bei ihrem Eintritt in die Vorkammer 3 im Gegenuhrzeigersinn
mit einer Verwirbelungsbewegung beaufschlagt werden, und es ist
anzumerken, dass sich bezüglich
der Verwirbelungsrichtung jeder Gasauslasskanal 14 unmittelbar
stromabwärts des
Ausgangs eines Luftversorgungskanals 11 befindet. Des Weiteren
ist zu sehen, dass die tangentiale Ausrichtung der Kanäle bewirkt,
dass die Brennstoffgasströme
in einem flachen Winkel zu den Luftströmen eingeleitet werden. Dies
in sich begünstigt
das leichtere Erreichen eines gewünschten Ziels der Erfindung,
was darin besteht, dass zumindest für den Leistungszustand, in
dem der Gasturbinenmotor die meiste Zeit betrieben wird, die LCV-Gasbrennstoffströme so in
die Luftströme
eingeleitet werden, dass die geringsten Turbulenzen erzeugt werden.
Um dies weiter zu erleichtern, sind sowohl der Massendurchfluss
als auch die Massengeschwindigkeit der Gas- und Luftströme am gedachten
Kreis 15 im relevanten Leistungszustand innerhalb von Grenzen
so eng aneinander angepasst wie möglich. In der Regel handelt
es sich bei der relevanten Leistungsbedingung um Volllast, und in
diesem Fall ist die Drossel 13 klein genug ausgeführt, eine
akustische Kopplung zwischen dem Gasversorgungssystem und dem Brenner
zu minimieren, ist aber gleichzeitig groß genug, um zu gestatten, dass
ausreichendes Brennstoffvolumen die Anforderungen des Motors bei
Volllast unter minimaler Störung
des Brennerluftstromflusses erfüllt.
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Die
Funktion des Brennstoffauslasskanals 14 ist die Konditionierung
des Gasbrennstoffstroms. Er ist bezüglich der Drossel 13 und
den Luftstromkanalgrößen so ausgerichtet
und bemessen, dass der Brennstoffstrom am Ausgang des Ausgangskanals 14 eine ähnliche
mittlere Massengeschwindigkeit aufweist wie der Luftstrom am Ausgang
des Kanals 11. Bezüglich
dessen, was unter „ähnlich" oder „eng aneinander
angepasst" verstanden
wird, besteht die derzeitige Schätzung
der Anmelder darin, dass eine Geschwindigkeitsanpassung auf ca.
+/–15%
angemessen ist und dass eine solche Ähnlichkeit der mittleren Massengeschwindigkeiten
zwischen dem Brennstoff und der Luft die Erzeugung von Turbulenzen
minimieren. Bezüglich
der Abmessung der Fläche
der Brennstoffdrossel 13 bezüglich der des Auslasskanals 14 hat
sich herausgestellt, dass ein Verhältnis von 1:1,4 besonders effektiv
ist, aber ein Bereich zwischen 1:1,1 und 1:1,7 ergibt besonders günstige Ergebnisse,
wenn die Drossel so bemessen ist, dass sie sich für Vollleistungsanforderungen
des Motors eignet.
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Für kompatible
Brennstoff/Luft-Geschwindigkeiten ist die Winkelbeziehung zwischen
benachbarten Luft- und Brennstoffkanälen 11, 14 von
Bedeutung. Des Weiteren hat sich für optimale Ergebnisse bei Mischen
und Verbrennung herausgestellt, dass die Position der Brennstoff-/Luftkanäle und der Durchmesser
der Verbrennungsvorkammer in Beziehung stehen. Demgemäß verlaufen
die Mittellinien der Luft- und Brennstoffströmungskanäle vorzugsweise tangential
zum gedachten Kreis 15, der zur mittleren Längsachse
der Verbrennungsvorkammer konzentrisch ist und dessen Durchmesser
im Bereich zwischen dem 0,7- und dem 1,0-Fachen des Vorkammerdurchmessers
liegt.
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Nunmehr
auf 4 Bezug nehmend, umfasst eine modifizierte Form
der in 3 gezeigten Verwirbelungsvorrichtung Brennstoffkanäle 30 mit gleichförmiger Breite,
die aber jeweils mit einer Strömungsglättungsvorrichtung 31 versehen
sind, die aus einer flachen Platte besteht, welche in einander gegenüberliegenden
Nuten 32 in den Seiten des Kanals angeordnet ist und mehrere
(zum Beispiel, wie dargestellt, zwölf) durch sie hindurch ausgebildete Löcher 33 aufweist,
die dazu dienen, jegliche im Brennstoffstrom infolge der plötzlichen Änderung
der Strömungsrichtung,
wenn das Brennstoffgas von den Eintrittsöffnungen eintritt, erzeugten
Turbulenzen zu reduzieren.
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Obgleich
die hier beschriebene Ausführungsform
sechs Luftkanäle
und sechs Brennstoffkanäle
aufweist, die abwechselnd angeordnet und gleich beabstandet sind,
ist die Erfindung offensichtlich nicht auf diese besonderen Anzahlen
beschränkt,
da die Grundzüge
auf eine beliebige Anzahl von Schaufeln und zugehörigen Luft-
und Brennstoffkanälen
angewandt werden können.