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Die
Erfindung betrifft Verbrennungssysteme für eine Gasturbine und betrifft
auch Gasturbinen mit solchen Systemen.
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Es
ist bekannt, die Zerstäubung
und Einbringung oder Anordnung von flüssigen Brennstoffen in Gasturbinenkammern
zu verbessern durch die Verwendung von Elektroden, die so angeordnet
sind, dass den Kraftstofftropfen elektrostatische Ladung aufgeprägt wird.
Zum Beispiel offenbart US Patent Nr. 4 439 980 eine Gasturbine,
in der Kraftstoff eingespritzt wird durch eine Einspritzdüse in Richtung
auf eine Elektrode in eine Verbrennungskammer, so dass nach dessen
Austritt aus der Einspritzdüse,
der Kraftstoff elektrostatisch aufgeladen ist und die Stärke des
elektrischen Felds eingestellt ist, um eine Sprüheigenschaft zu schaffen, die
voraussichtlich optimale Turbinenleistung ergibt.
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In
der US-A 3 749 545 ist eine einfache Brennkammer einer gewerblichen
oder privaten Heizung oder etwas ähnlichem offenbart mit einer
Zerstäuberdüse für flüssige Brennstoffe,
die an ihrem Zuströmende
angeordnet ist. An die Düse
ist eine hohe positive Spannung angelegt und geladene Kraftstofftropfen
werden direkt in die Brennkammer eingesprüht, die sich nahe der Düse mit einem
einströmenden
Luftstrom vermischen. Die Einbringung der Kraftstofftropfen wird
gesteuert durch Aufladen der Kammerwände mit der selben Polung wie
die der Kraftstofftropfen und durch Aufladen von Elektroden, die
in der Kammer angeordnet sind, mit der entgegengesetzten Polung.
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Die
vorliegende Anmeldung geht davon aus, dass weiter erhöhte Steuerung
der Kraftstoffeinbringung, Verdampfung und Verbrennungsintensität gewünscht ist.
Dies würde
zu höherer
Verbrennungsstabilität
führen,
insbesondere bei niedrigen Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeiten
und zu niedrigerer Emission von Schmutzstoffen von Motoren. Insbesondere
ist es wünschenswert
noch weiter die bereits guten, niedrigen Emissionen und Stabilitätseigenschaften
der Brennkammern mit magerer Verbrennung von Gasturbinen der Art,
die Brenn-„Vorkammern" benutzen, zu verbessern,
die kleineres Volumen und Durchlassbereiche haben als eine Hauptverbrennungskammer,
in die sie sich entladen. Diese Vorkammern erhalten vorgewirbelte,
vorgemischte Flüssigkraftstoff/Luftmischungen
zur Verbrennung darin aus Vorwirbelern, wobei die Letzteren zum
Beispiel kreisförmige
Bereiche von Flügeln
aufweisen, die zwischen sich Durchlässe festlegen, die so ausgestaltet
sind, dass der Kraftstoff/Luftmischung eine drehende Bewegung um
eine Längsachse
der Vorkammer aufgeprägt
wird. Bei einer bekannt wirksamen Klasse von Vorwirblern, mit denen
der Anmelder besonders vertraut ist, tritt die Kraftstoff/Luftmischung
in eine zylindrische Vorkammer aus Vorwirbeldurchlässen an
dem Einlassende der Vorkammer, wobei die Vorwirbeldurchlässe so gerichtet
sind, dass die Kraftstoff/Luftmischung in die Vorkammer eintritt
mit einer hauptsächlich
tangentialen Geschwindigkeitskomponente, obwohl auch eine radiale
Geschwindigkeitskomponente vorhanden ist für einen angestrebten Betrag
von Eindringen der Mischung in den Verbrennungsbereich der Vorkammer. EP-A
0 728 989 zeigt ein Beispiel eines solchen Brenners.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine
zu schaffen, bei dem eines oder mehrere von Kraftstoffeinbringung,
Verdampfung und Verbrennungsintensität genauer gesteuert werden
kann, um eine verbesserte Verbrennungsleistung zu erzeugen.
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Gemäß der Erfindung
umfasst ein Verbrennungssystem für
eine Gasturbine:
eine Verbennungshauptkammer,
eine davon
stromaufwärts
gelegene Verbennungsvorkammer, die sich in die Verbennungshauptkammer öffnet, wobei
die Verbennungsvorkammer einen kleineren Durchlassbereich aufweist
als die Hauptkammer und um eine Längsachse angeordnet ist,
einer
Brennerseite am Eintrittsende dieser Vorkammer,
einer Vorwirbeleinheit,
die eine Vielzahl von Vorwirbeldurchlässen umfasst, die in Verbindung
sind mit dem Eintrittsende der Vorkammer für die Zufuhr einer vorgewirbelten
Luft/Kraftstoffmischung in die Vorkammer, wobei die Vorwirbeldurchlässe um die Längsachse
angeordnet sind,
Zerstäubereinspritzdüsen, die
in den Vorwirbeldurchlässen
angeordnet sind, um in diese zerstäubten Kraftstoff einzuspritzen,
gekennzeichnet,
durch
Düsenelektrodeneinrichtungen
in jeder dieser Einspritzdüsen,
Einrichtungen,
die betätigbar
sind, um selektiv die Düsenelektrodeneinrichtungen
elektrostatisch aufzuladen auf eine vorbestimmte Polung, um so den
zerstäubten
Kraftstoff elektrostatisch aufzuladen,
Vorwirbelelektrodeneinrichtungen,
die mindestens Abschnitte der Vorwirbeldurchlässe bilden, und
Einrichtungen,
die betätigbar
sind, um selektiv die Vorwirbelelektrodeneinrichtungen elektrostatisch aufzuladen
mit derselben Polung wie die Düsenelektrodeneinrichtungen,
um so den zerstäubten
eingespritzten Kraftstoff von den Abschnitten der Vorwirbeldurchlässe abzuhalten.
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Die
Vorkammer ist vorzugsweise von zylindrischer Form, wobei sich die
Vorwirbeldurchlässe
im wesentlichen tangential zum Umfang der Vorkammer erstrecken.
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Jeder
Vorwirbeldurchlass kann mindestens eine in ihm angeordnete Zerstäubereinspritzdüse aufweisen
und jede Düsenelektrodeneinrichtung weist
vorzugsweise eine ladungsemittierende Kante auf, die um einen Ausgang
von seiner entsprechenden Zerstäubereinspritzdüse angeordnet
ist.
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Vorzugsweise
weist die Vorwirbelelektrodeneinrichtung Wände der Vorwirbeldurchlässe auf
und in der Tat ist es günstig,
wenn die Vorverwirbelungseinheit selbst die Vorwirbelelektrodeneinrichtung
umfasst.
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Eine
erste Brennerelektrodeneinrichtung kann vorgesehen sein in Verbindung
mit der Brennerseite und es können
Einrichtungen vorgesehen sein, um die erste Brennerelektrodeneinrichtung
auf einem Potential zu halten mit Bezug auf den elektrostatisch geladenen
Kraftstoff, so dass der Kraftstoff zu der ersten Brennerelektrodeneinrichtung
gedrängt
wird. Zumindest ein Abschnitt der Brennerseite, vorzugsweise ein
im wesentlichen zentraler Abschnitt, kann die erste Brennerelektrodeneinrichtung
umfassen.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung kann zweite Brennerelektrodeneinrichtungen
vorsehen, die sich vom Umfang der ersten Brennerelektrodeneinrichtung
erstrecken, und Einrichtungen, um selektiv die zweiten Brennerelektrodeneinrichtungen
elektrostatisch aufzuladen mit derselben Polung wie der geladene
Kraftstoff. Die Düsenelektrodeneinrichtungen und
zweiten Brennerelektrodeneinrichtungen können auf elektrisch leitende
Art verbunden sein, wobei die Düsenelektrodeneinrichtungen
und die zweiten Brennerelektrodeneinrichtungen das selbe Potential
haben. Zudem kann eine dritte Brennerelektrodeneinrichtung vorgesehen
sein zwischen den ersten und zweiten Brennerelektrodeneinrichtungen,
wobei die Einrichtungen betätigbar
sind, um selektiv die dritte Brennerelektrodeneinrichtung elektrostatisch
aufzuladen mit einer Polung, die entgegengesetzt ist zu der Ladung
des Kraftstoffs. Vorzugsweise ist in den zweiten oder dritten Brennerelektrodeneinrichtungen eine
Zündeinrichtung
für den
Kraftstoff vorgesehen.
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Mit
oder ohne Brennerelektrodeneinrichtungen kann das Verbrennungssystem
versehen sein mit Vorkammerelektrodenein richtungen, die mindestens
einen Abschnitt der Vorkammer umfassen und Einrichtungen, um selektiv
die Vorkammerelektrodeneinrichtungen elektrostatisch aufzuladen
mit derselben Polung wie der geladene Kraftstoff. Vorzugsweise weist
ein Wandbereich der Vorkammer die Vorkammerelektrodeneinrichtungen
auf.
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Bei
einer Gasturbine mit dem oben genannten Verbrennungssystem gemäß der Erfindung
führt die
Abweisung des Kraftstoffs durch die Vorkammerelektrodeneinrichtungen
dazu, dass der Kraftstoff von Wänden
der Verwirbelungseinheit abgehalten wird. Wo die Vorkammerelektrodeneinrichtungen vorgesehen
sind, führt
die Abweisung des Kraftstoffs dazu, dass der Kraftstofffluss näher auf
die Achse der Vorkammer konzentriert wird und weg von der Wand der
Vorkammer. Eine derartige Steuerung des Kraftstoffflusses ermöglicht Verbesserungen
im Motorenbetrieb, insbesondere bei Zündung oder bei niedriger Last,
zum Beispiel Lastminderungsbetrieb, und weil der Kraftstoff in zerstäubt flüssiger oder
Tropfenform ist, führt
das Abhalten von der Verwirbelungseinheit oder der Vorkammerwand
dazu, das Verkoken der Einheit oder der Vorkammer zu vermeiden.
Wenn eine Zündeinrichtung
in der Brennerseite vorgesehen ist, hat darüber in Richtung der Brennerseite
angezogener Kraftstoff eine verbesserte Möglichkeit zur Zündung und
dies kann den Betrieb der Gasturbine auch verbessern.
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Weitere
Aspekte der Erfindung werden erkennbar aus der folgenden Beschreibung
und Ansprüchen.
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Ausgestaltungen
der Erfindung werden nun weiter nur beispielhaft beschrieben mit
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen, von denen:
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1 ein
diagrammartiger und unvollständiger
Längsschnitt
einer Ausgestaltung eines Verbrennungssystems für eine Gasturbine ist, das
gemäß der Erfindung
gebildet ist und gezeigt ist in einem vorbestimmten Betriebsmodus,
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2 eine
Darstellung eines Abschnitts auf Linie II-II in 1 ist
inklusive gewisser weiterer Information,
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3 ein
diagrammartiger Längsschnitt
vergleichbar mit 1 ist und wobei das Verbrennungssystem
für eine
Gasturbine gezeigt ist in einem anderen vorbestimmten Betriebsmodus,
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4 ein
Schnitt vergleichbar mit 1 ist einer anderen Ausgestaltung
des Verbrennungssystems für
eine Gasturbine gemäß der Erfindung,
und
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5 eine Schnittansicht ist durch einen
Teil einer zerstäubenden
Kraftstoffeinspritzdüse
zur Verwendung mit der Erfindung.
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In
den Zeichnungen bezeichnen entsprechende Bezugszeichen entsprechende
oder vergleichbare Teile.
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Mit
Bezug auf 1 und 2 umfasst
eine Gasturbine eine Vielzahl von Brennkammern, wobei eine solche
Brennkammer mit 2 bezeichnet ist. Die Brennkammer 2 umfasst
einen Brenner 4 mit einem Brennerkopf 6, einer
radialen Einströmverwirblereinheit 8,
einer zylindrischen Vorkammer 10 und einer Hauptbrennkammmer 12 mit
größerem Durchmesser stromabwärts der
Vorkammer.
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Die
Verwirbelungseinheit 8 umfasst eine Vielzahl von Verwirbelungsprofilen 14,
die um eine zentrale Achse und trennende Durchlässe 16 angeordnet
sind, entlang denen komprimierte Verbrennungsluft im allgemeinen
nach innen strömt
von einem umgebenden Einlass 18, der mit komprimierter Luft
von dem Kompressor der Gasturbine versorgt ist. Wie insbe sondere
in 2 gezeigt sind die Durchlässe 16 im wesentlichen
tangential zum Umfang der Vorkammer 10 gerichtet. Nach
Austritt aus den Durchlässen 16 tritt
die Verbrennungsluft in die Vorkammer 10 nahe bei deren
Eintrittsende mit großen
tangentialen und kleineren radialen Geschwindigkeitskomponenten.
Eine Brennerseite 20 des Brennerkopfs 6 ist an
dem Eintrittsende der Vorkammer 10 angeordnet.
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Die
Brennkammer 2 kann gasförmigen
Kraftstoff verbrennen, zum Beispiel natürliches Gas oder zerstäubten flüssigen Kraftstoff.
Im Betrieb mit gasförmigem
Kraftstoff kann anfangs gasförmiger
Kraftstoff in die Vorkammer 10 zugeführt werden von einem Pilotgassystem
(nicht dargestellt), wohingegen die Hauptzufuhr an gasförmigem Kraftstoff
durch Gasstrahlrohre oder Düsen 22 (nur
in 2 dargestellt) erfolgt, die sich in die Verwirbelungsdurchlässe 16 nahe
den radial äusseren
Enden der Durchlässe öffnen. Im
Betrieb mit flüssigem
Kraftstoff wird anfangs flüssiger
Kraftstoff zugeführt
von Pilotflüssigkraftstoffstrahlrohren
oder Düsen 24 an
der Brennerseite 20 und die Hauptzufuhr an flüssigem Kraftstoff erfolgt
durch zerstäubte
Tropfen aus Hauptflüssigkraftstoffstrahlrohren
oder Düsen 26,
die sich in die Verwirbelungsdurchlässe 16 nahe den radial
inneren oder Auslassenden der Verwirbelungsdurchlässe öffnen.
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Jede
Einspritzdüse 26 ist
verbunden mit einer Zufuhr für
flüssigen
Kraftstoff (nicht dargestellt) und die Düse ist auf bekannte Art angeordnet,
um die Tropfen zu zerstäuben
oder zu verkleinern. Der so in die Verwirbelungseinheit 8 abgegebene
Kraftstoff mischt sich mit der Verbrennungsluft, die in die Vorkammer 10 eintritt,
wobei geeignete Einrichtungen vorgesehen sind an, auf oder innerhalb
jeder Düse, um
elektrostatische Ladung auf die Kraftstofftropfen aufzubringen.
Eine solche Einspritzdüse 26 ist
von dem vorliegenden Anmelder offenbart in EP-A-1 139 021 und der
Leser wird für
weitere Einzelheiten, die in der vorliegenden Be schreibung nicht
enthalten sind, darauf verwiesen. 5 der
vorliegenden beschreibung ist jedoch wieder gegeben aus der oben genannten
ebenfalls anhängigen
Anmeldung und zeigt, dass jede Düse 26 eine
Elektrode aufweisen kann, die geeignet geformt ist, um dem Kraftstoff
A wirksam elektrostatische Ladung aufzuprägen. In diesem Fall weist eine
Elektrode 540 eine scharfe Kante 542 auf, die
um ein kreisförmiges
Auslassende 536 eines divergenten Düsendurchlasses 534 angeordnet
ist, so dass elektrostatische Ladung von der scharfen Kante der
Elektrode ausgeht, um dem Kraftstoff A wirksam elektrostatische
Ladung aufzuprägen.
Vorzugsweise wird die Ladung dem Kraftstoff von der Elektrode genau
an dem Punkt aufgeprägt, an
dem der Kraftstofffluss, der an der inneren Wand des Düsendurchlasses 534 anhaftet,
beginnt in Tropfen aufzubrechen, wenn er das Düsenauslassende 536 verlässt. Ausser
an ihrer scharfen Spitze 542, die über den Hauptkörper 528 der
Düse hinausragt,
ist die Düse 540 isoliert
von der Umgebung und dem Hauptkörper 528 der
Düse mittels
Schichten aus jeweils Isolierung 544 und 546.
Derartige Isolierung kann zum Beispiel Glimmer oder eine Keramik
sein. Eine innere Fläche 548 der
Elektrode ist zylindrisch, um sich der Form der äußeren Fläche des Hauptkörpers 528 der
Düse anzupassen,
wohingegen eine äußere Fläche 550 der
Elektrode kegelstumpfförmig
ist, um so den enthaltenen Winkel der schrfen Kante 542 zu
bilden.
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Um
den Elektroden elektrostatische Ladung aufzuprägen, sind eine Ladungsquelle
und Steuereinheit 28 (wie an sich bekannt) verbunden mittels Leitung 30 mit
einem ringförmigen
Leiter 32, der die Elektroden 540 der Düsen 26 versorgt.
Vorzugsweise sind die Elektroden und damit die Kraftstofftropfen, die
aus den Düsen 26 austreten,
positiv geladen.
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Die
Verwirbelungseinheit 8 oder mindestens Wandabschnitte der
Wirbeldurchlässe 16,
zum Beispiel Oberflächen
der Flügel 14,
weisen eine Elektrode auf, die elektrostatisch ge laden ist über die
Leitung 34 von einer anderen Ladungsquelle und Steuereinheit 36.
Falls geladen, ist die Elektrode 38 mit der selben Polung
geladen wie die Kraftstofftropfen.
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Die
Vorkammer 10 weist eine Kammerwand 38 auf, die
auch eine Elektrode aufweist, die über Leitung 40 von
der Quelle und Steuereinheit 36 geladen ist. Falls geladen,
ist die Elektrode 8 mit der selben Polung geladen wie die
Kraftstofftropfen.
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Der
Brennerkopf 6 weist erste und zweite Brennerelektroden 42 und 44 auf,
die Elektrodenflächen
an den Brennerflächen
ausbilden. Die Elektrode 42 ist eine zentrale Elektrode,
die in den Zeichnungen als ein Zylinder dargestellt ist und Elektrode 44 ist
eine umgebende Elektrode, die als ein Ring dargestellt ist. Die
Elektrode 44 ist elektrostatisch mit der selben Polung
geladen wie die Kraftstofftropfen. Dies kann erreicht werden durch
leitendes Verbinden der Elektrode 44 mit der Elektrode 8 mittels
einer leitenden Verbindung 46, so dass die Elektroden 8 und 44 sich
auf dem selben Potential befinden. Alternativ kann keine Verbindung 46 vorhanden
sein und statt dessen kann eine Leitung 48 vorgesehen sein,
so dass Elektrode 44 von der Quelle und Steuerung 36 über die
Leitung 48 geladen werden kann, so dass die Elektrode 44 auf
einem unterschiedlichem Potential zu dem der Elektrode 8 sein
kann.
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Vorzugsweise
ist die zentrale Elektrode 42 entgegengesetzt zum Kraftstoff
zu laden oder mindestens auf ein niedrigeres Potential. Das kann
erreicht werden durch Verbinden der zentralen Elektrode 42 mit
einer geeigneten elektrostatischen Lade- und Steuereinheit oder
kann erreicht werden, wenn die Kraftstoffladung positiv ist, durch
Erden der zentralen Elektrode 42, um so auf einem niedrigeren
Potential zu sein als die Elektroden der Düsen 26 und die anderen
Elektroden 8, 38 und 44.
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Ein
Zünder
für den
Kraftstoff ist mit 50 eingebettet in die Fläche der
Elektrode 44 dargestellt und kann nahe eines Umfangs der
zentralen Elektrode 42 sein.
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Isolierung,
zum Beispiel Glimmer oder eine Keramik, ist angezeigt mit 52A, 52B, 52C, 52D, 52E, 52F und 52G,
um die Elektroden isoliert zu halten voneinander oder anderen Teilen
des Systems.
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Der
von den Düsen 26 emittierte
Kraftstoff kann wie gewünscht
wahlweise elektrostatisch geladen werden oder nicht von den Einheiten 52, 60,
abhängig
von der gewünschten
Art des Betriebs der Gasturbine. Insbesondere während des Betriebs der Maschine
bei niedriger Last, wenn geringere Volumen flüssigen Kraftstoffs an die Einspritzdüsen 26 abgegeben
werden, ist die zusätzliche
Steuerung der Kraftstoffzerstäubung,
Verdampfung, Anordnung und Verbrennungsintensität, die durch elektrostatische Aufladung
erreichbar ist, vorteilhaft. Die Elektroden 8, 38, 42 und 44 können, falls
gewünscht,
auch gleichzeitig geladen werden oder nur eine oder irgendeine Kombination
geladen oder auf irgendeinem geeigneten, gewünschten Potential gehalten
werden. Bei Volllastbetrieb der Maschine wenn größere Volumen flüssigen Kraftstoffs
an die Einspritzdüsen 26 abgegeben
werden, kann gute Kraftstoffzerstäubung, Verdampfung, Anordnung
und Verbrennungsintensität
erreichbar sein, wenn keine der Elektroden geladen ist.
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Die
Steuereinheiten 28 und 36 können unabhängig betrieben werden und die
Steuereinheit 36 kann die jeweiligen Elektroden laden,
mit denen sie verbunden ist in jeweils unterschiedlichen Maßen oder
Potentialen. Die Quelle der statischen Elektrizität kann eine
Batterie sein oder kann von einem hilfsweisen elektrischen Generator
abgeleitet sein, der von der Gasturbine angetrieben wird.
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Insbesondere
mit Bezug auf 1 können, wenn die Maschine im
Zündbetrieb
und der flüssige Kraftstoff
von den Düsen 26 positiv
geladen und die zentrale Brennerelektrode 42 geerdet ist,
(i) die Elektroden 8 und 44 positiv geladen und
auf dem selben Potential sein, zum Beispiel über die Verbindung 46 und
(ii) die Elektrode 38 kann auch positiv geladen sein, zum
Beispiel leicht geladen sein und damit auf einem geringeren Potential
sein mit Bezug auf die Elektroden 8, 44. Ein Beispiel
eines elektrostatischen Felds innerhalb des verbrennungssystems
ist angezeigt mit der strichpunktierten Linie 54 und eine
sich ergebende Position für
den eingebrachten Kraftstoff oder Hüllkurve der Position des Kraftstoffflusses
ist angezeigt mit der unterbrochenen Linie 56. Die geladenen
Tropfen neigen dazu, von der Verwirbelungseinheit 8 und
von der Wand 38 abgestoßen zu werden, so dass die
Möglichkeit
dieser Wand oder derer in Einheit 8 zu verkoken auf Grund
der Verbrennung des Kraftstoffs auf ihren Oberflächen gemindert ist. Auch weil
der Kraftstoff zu der zentralen Elektrode 42 gedrängt wird,
entweder durch Anziehung dahin oder mindestens dadurch, dass er
weniger davon abgestoßen
wird als durch die anderen Elektroden, wird die Möglichkeit,
dass er effizienter gezündet
wird von dem Zünder 50,
wenn Kraftstoff über
diesen bewegt wird, verbessert. Kraftstoff wird von den Verwirbelungsprofilen 14 nicht
nur elektrostatisch abgestoßen sondern
auch von der Elektrode 44. Auf Grund der elektrostatischen
Verhältnisse,
die beschrieben sind im Zündbetrieb,
wird die Verdampfungsgeschwindigkeit des flüssigen Kraftstoffs erhöht durch
(1) bessere Kraftstoffzerstäubung
(Coulomb Spaltung), durch (2) Coulomb Kraft, die viel größer ist
als gewöhnliche
aerodynamische Kraft, so dass die Tropfen sich gegen die Luftströmungen bewegen
können
und durch (3) Coulomb Kraft, die das Zusammenwachsen der Tropfen
verhindert.
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In 3 läuft die
Maschine im Betrieb mit abnehmender Last. Die dem Kraftstoff aufgeprägte positive
Ladung kann vorzugsweise ein Maximum sein dessen, was das System
bereitstellen kann. Die zentrale Brennerelektrode 42 ist
geerdet und (i) die Elektroden 8 und 44 können positiv
geladen und auf dem selben Potential sein und (ii) die Elektrode 38 kann auch
positiv geladen sein, aber auf einem höheren Potential als für den Zündbetrieb.
Folglich ist das elektrostatische Feld bei 58 eingeklemmt
und drängt so
die Kraftstoff/Luft-Mischung wieder zu der Elektrode 42 hin.
Die Elektroden 8, 38 und 44 können auf dem
selben oder unterschiedlichen Potentialen sein. Die Wirkung des
elektrostatischen Felds auf den Kraftstoff ist es, dessen Zerstäubung zu
verbessern oder zu erhöhen,
was wünschenswert
ist bei geringerer Geschwindigkeit des Kraftstoffflusses. Hohe Ladung
auf den Elektroden 38 und 44 in Verbindung mit der
geerdeten Elektrode 42 zieht und drückt den Kraftstoff stromaufwärts zu dem
Zentrum des Brennerkopfs 6 an dem oberen Ende der Vorkammer 10, woraus
sich verbesserte Kraftstoffkonzentration und deshalb verbesserte
Flammenstabilität
ergeben.
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Die
Verwendung elektrostatischer Steuerung von Kraftstoffanordnung kann
beitragen zur:
- a) Steuerung von NOx Emissionen.
- b) Verbesserung der Flammenstabilität bei Zünd- und Lastminderungsbetriebsweisen.
- c) Verringerung des Bedarfs an dem Gebrauch von mehr als einem
Satz von Kraftstoffdüsen
zur Einspritzung von flüssigem
Kraftstoff.
- d) Dämpfung
von Rattern in Verbrennungssystemen auf Grund der Verringerung oder
Eliminierung ungleichmäßiger Verbrennung.
- e) Verstärkung
von Verdampfungsgeschwindigkeiten des Kraftstoffs und dadurch zur
Verringerung von NOx.
- f) Befähigung
zum Stufen von flüssigem
Kraftstoff zur Verwendung in Verbrennungssystemen vom „Can"-Typ.
Stufen
von flüssigem
Kraftstoff ist die Technik, bei der dieselbe Einspritzdüse oder
Düsensatz
verwendet werden kann, um Kraftstoff bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
für Betrieb
bei geringer Last und auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten für Betrieb
bei höheren
Lasten, einzuspritzen. Bisher war das sehr schwer zu erreichen gewesen,
weil herkömmliche
Einspritzdüsen
ausgelegt sein müssen,
um optimale Zerstäubung über einen
beschränkten
Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten
zu bieten. Die vorliegende Erfindung greift dieses Problem auf,
um bessere Steuerung der Zerstäubung
und Einbringung des Kraftstoffs in die Brennkammer zu ermöglichen.
- g) Befähigung
zur Verwendung eines Einsatzes von Flüssig-Kraftstoffeinspritzdüsen mit höherer Strömungszahl, wobei das Risiko
des Verkokens von Oberflächen
im Verwirbler und der Vorkammer reduziert wird. Hier ist „Strömungszahl" die UK Strömungszahl
und ist definiert als die Strömungsgeschwindigkeit
des Kraftstoffs durch die Düse
in imperialen Gallonen pro Stunde, dividiert durch die Quadratwurzel
des Druckabfalls durch den Einspritzer in Pfunden als Kraft pro
Inch im Quadrat. Herkömmlicherweise
können,
wenn Düsen
mit hoher Strömungszahl
verwendet werden, die gute Kraftstoffzerstäubung ergeben bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten,
diese nicht entsprechend den Kraftstoff bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
zerstäuben
und dies führt
zu größeren Kraftstofftropfen,
die eher auf Brennkammeroberflächen
auftreffen und verbrennen, wodurch Verkokung der Oberflächen herbeigeführt wird.
Die Verwendung jedoch der wie oben beschriebenen geladenen Elektroden
sowohl in der Einspritzdüse
als auch in den Brennkammerkomponenten verringert oder beseitigt dieses
Problem.
- h) Befähigung
zur Verwendung eines weiteren Bereichs von flüssigen Kraftstoffarten wiederum wegen
besserer Zerstäubung
und Steuerung der Kraftstoffeinbringung.
- i) Verbesserung der Kraftstoff und Luftmischung, was dazu führt, dass
Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in der Form weissen Rauchs
reduziert werden.
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In 4 ist
eine dritte Brennerelektrode 60 vorgesehen, die ringförmig ist
und zwischen der zentralen Elektrode 42 und der äußeren Ringelektrode 44 angeordnet
ist, von der die Elektrode 60 getrennt ist durch Isolation 52H.
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In
diesem Fall ist der Zünder
in einer Seite der Elektrode 60. Im Betrieb kann die Elektrode 60 elektrostatisch
geladen sein mit einer Polung, die entgegen gesetzt ist zu der der
Kraftstofftropfen, die so zu dem Zünder 50 gezogen werden,
um die Kraftstoffverbrennung zu verbessern und damit den Zündbetrieb
der Maschine. Die Elektrode 42 kann wie oben geerdet oder
auf ein niedrigeres Potential als das der Düse 26 gebracht sein.
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Hinsichtlich
der elektrischen Potentiale, die in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, schätzt
der Anmelder zur Zeit, das Potentialunterschiede in der Größe von mehreren
tausend Volt wahrscheinlich erforderlich sind, um die Vorteile der Erfindung
zu erhalten.