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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk
und mehr im Einzelnen eine Brennkammer, die an einen Turbokühler, von
dem sie Kühlluft
zum Kühlen
der Brennkammer und dann zur Verbrennung erhält, angekoppelt ist.
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Ein
Gasturbinentriebwerk enthält
ein Kerntriebwerk (core engine), das in strömungsmäßiger Reihenschaltung einen
Hochdruckkompressor(-Verdichter) (auch Kernverdichter genannt) zum
Verdichten des in das Kerntriebwerk eintretenden Luftstroms, eine
Brennkammer, in der eine Mischung von Brennstoff und der verdichteten
Luft verbrannt wird, um einen antreibenden (Verbrennungs-)Gasstrom
zu erzeugen und eine Hochdruckturbine aufweist, die von dem antreibenden
Gasstrom in Umdrehung versetzt wird und die über eine Welle größeren Durchmessers
angeschlossen ist, um den Hochdruckverdichter anzutreiben. Ein typisches
Bypass-Turbofan-Gasturbinenflugtriebwerk fügt noch eine Niederdruckturbine
(die hinter der Hochdruckturbine angeordnet ist) hinzu, die über eine
Welle geringeren Durchmessers so verbunden ist, dass sie einen vorderen
Fan (Bläser)
(der vor dem Hochdruckverdichter angeordnet ist) antreibt, der auch
einen Niederdruckverdichter (welcher zwischen dem vorderen Fan und
dem Hochdruckverdichter angeordnet ist) antreiben kann. Der Niederdruckverdichter
wird gelegentlich auch als Booster-Verdichter oder einfach als Booster
bezeichnet. Es versteht sich, dass der Ausdruck „Verdichter" („Kompressor") ohne Beschränkung Hochdruckverdichter
und Niederdruckverdichter mit umfasst. Ein zwischen dem Bläser und dem ersten
(in der Regel dem Niederdruck-)Verdichter angeordneter Strömungssplitter
teilt die aus dem Bläser austretende
Luft in einen Kerntriebwerksluftstrom und einen diesen umgebenden
Nebenstromluftstrom. Der Nebenstromluftstrom von dem Bläser tritt aus
dem Bläsernebenstromkanal
aus, um den größten Teil
des Triebwerkschubs für
das Flugzeug zu liefern. Ein gewisser Triebwerksschub kommt von
dem Kerntriebwerksluftstrom, nachdem dieser durch den Niederdruck-
und den Hochdruckverdichter zu der Brennkammer strömt und durch
die Hoch- und die Niederdruckturbine
entspannt und aus der Abgasdüse
beschleunigt wurde.
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Eine
Kühlung
der Komponenten der heißen Triebwerksabschnitte,
etwa der Brennkammer, ist wegen der thermischen „Rote Linie" -Beschränkungen
der bei der Konstruktion solcher Komponenten verwendeten Materialien
nötig.
Typischerweise erfolgt eine solche Kühlung der Brennkammer unter Verwendung
einer beträchtlichen
Menge der Luft, die aus dem Verdichter austritt. Diese Kühlluft strömt an der
Brennkammer vorbei und wird zur Kühlung der Brennkammer (z.B.
der Brennkammereinsätze)
wie auch bspw. zur Kühlung
von Turbinenkomponenten benutzt. Nach der Kühlung der Brennkammer (und Turbinenkomponenten)
tritt die Kühlluft
wieder strömungsabwärts von
der Brennkammer in den Gasströmungspfad
ein. Da die Kühlluft
innerhalb der Brennkammer nicht zur Verfügung steht, muss die Brennkammer
mit einem höheren
Brennstoff zu Luft-Verhältnis
arbeiten, was zu einer höheren Brennkammertemperatur
führt,
um eine gewünschte Turbineneintrittstemperatur
zu erreichen, die wegen der Triebwerksleistung und -effizienz erforderlich
ist. Die höhere
Brennkammertemperatur erzeugt aber mehr unerwünschte NOx-Emissionen.
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NOx-Emissionen
von Gasturbinentriebwerken, die vom Betrieb mit flüssigen Brennstoffen
herrühren,
sind, zumindest teilweise das Ergebnis eines stöchiometrischen Brennstoff-/Luftverhältnisses
in der Nähe
der flüssigen
Brennstofftröpfchen.
Oberhalb des pseudokritischen Drucks von Jet-Brennstoff (etwa 2413
KPascal (350 psia)) absorbieren Flüssigkeitströpfchen Wärme durch Konvektion und Strahlung.
Sobald die Temperatur des Tröpfchens
die pseudokritische Temperatur, etwa 399°C (750°F)) erreicht, verliert das Tröpfchen die
Oberflächenspannung
und zerstäubt
durch Luftscherkräfte
in eine brennstoffreiche Konzentration von gasförmigen Brennstoff- und Luftmolekülen. Durch
zusätzliche Vermischung
mit Luft erreicht die Gasmischung das (immer noch brennstoffreiche)
Brennstoff-/Luft-Zündverhältnis und
verbrennt. Da das gesamte Brennstoff-/Luftverhältnis des Triebwerks brennstoffarm
ist, gibt es einen Bereich, in dem das gasförmige Brennstoff-/Luftverhältnis bei
oder nahe bei der stöchiometrischen
Konzentration liegt und die Flammentemperatur maximal ist (etwa
2204°C (4000°F)).
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Die
US-A-5,581,996 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Lieferung von Kühlluft aus
einem Kompressor (Verdichter) zu heißen Komponenten in einem Gasturbinentriebwerk.
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NOx
wird durch die Reaktionen in N2 + O → NO + N, gefolgt von O2 + N → NO + 0
erzeugt. Die Reaktionsgeschwindigkeit der zweiten Reaktion (O2 +
N) erhöht
das NOx um einen Faktor 5 oberhalb einer Spitzenbrennkammertemperatur
von 1649°C (3000
DEG F) wenn die Brennstofftröpfchen
bei 2204°C
(4000°F)
zerbersten. Der relative NOx-Anstieg ist bei niedrigen Triebwerksleistungspegeln
wesentlich größer.
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Es
wäre erstrebenswert,
die NOx-Emissionen eines Gasturbinentriebwerks abzusenken, ohne den
Triebwerkswirkungsgrad zu beeinträchtigen. Außerdem wäre es erwünscht, derart herabgesetzte NOx-Emissionen
zu erzielen, ohne die Kosten des Triebwerks wesentlich zu erhöhen.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Gasturbinentriebwerk geschaffen, das aufweist: Einen Kompressor
(Verdichter), einen Turbokühler
zum Kühlen
und Komprimieren von aus dem Kompressor austretender Luft; eine
Brennkammer mit einem Gehäuse,
einem unmittelbar an dem Gehäuse
befindlichen und wenigstens teilweise einen Brennraum begrenzenden
Einsatz und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Strömungsverbindung
mit dem Turbokühler,
um der Brennstoffeinspritzvorrichtung Luft aus dem Turbokühler zur
Erzielung einer luftunterstützten
Zerstäubung
zuzuführen,
gekennzeichnet, durch einen Kühlmittelströmungspfad
zwischen dem Gehäuse und
dem Einsatz, mit einem Einlass an einem in Längsrichtung hinteren Abschnitt
des Einsatzes und mit einem Auslass an der Brennstoffeinspritzvorrichtung,
so dass verbrauchte Kühlluft
in die Brennstoffeinspritzvorrichtung strömt, wobei der Kühlmitteleinlass
mit dem Turbokühler
verbunden ist, um Kühlluft aus
dem Turbokühler
aufzunehmen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird die Kühlluft
zunächst
zum Kühlen
der Brennkammer verwendet und die verbrauchte Kühlluft wird sodann zur Verbrennung,
d.h. zur luftunterstützten Zerstäubung, benutzt.
Gasturbinentriebwerke mit Turbokühlern
sind an sich bekannt, wie etwa das in der US-Nr. 5,392,614 mit dem
Titel „Gas
Turbine Engine Cooling System" beschriebene
Triebwerk, wobei dieses Patent auf die vorliegenden Patentinhaber übertragen
ist. Dadurch dass Kühlluft von
dem in der erwähnten
Patentschrift beschriebenen Turbokühler einer gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildeten Brennkammer zugeführt wird, werden, wie angenommen
wird, die NOx-Emissionen herabgesetzt, während Triebwerkswirkungsgrad
und -Betriebseigenschaften nicht beeinträchtigt und möglicherweise sogar
verbessert werden.
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Bei
einer Ausführungsform
weist die Brennkammer Strömungspfade
auf, die mit der von dem Turbokühler
zugeführten
Kühlluft
in Strömungsverbindung
stehen. Luft strömt
durch die Strömungspfade
von einem hinteren Abschnitt zu einem bei einem Diffusor angeordneten
Auslass. Die Kühlluft
vermischt sich, nachdem sie die Wände der Brennkammer gekühlt hat,
mit dem Brennstoff in der Brennstoffeinspritzvorrichtung, so dass
eine im Wesentlichen gleichförmige
Mischung von Hilfsluft und Brennstoff aus dem Injektor austritt.
Die Vermischung der Hochdruckluft von dem Turbokühler mit dem Brennstoff erleichtert
die Zerteilung des Brennstoffs aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung
in die Brennkammer und trägt
außerdem
dazu bei, die Brennstoff-/Luftenergieschergradienten zu erhöhen. Es
wird vermutet, dass im Ergebnis die Injektionsgeschwindigkeit signifikant
erhöht
wird und die NOx-Emissionen verringert werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Einspritzen
von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks
geschaffen, wobei das Triebwerk eine Brennstoffeinspritzvorrichtung
mit einer Brennstoffdüse
in der Brennkammer und einen Turbokühler aufweist (und) das Verfahren
die Schritte beinhaltet: Vermischen von Luft aus dem Turbokühler und Brennstoff
bei der Brenn stoffeinspritzvorrichtung und Einspritzen der Luft-
und Brennstoffmischung in die Brennkammer.
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Die
Erfindung wird im Folgenden in größerem Detail beispielhaft unter
Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert,
in der:
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1 Eine
schematische Veranschaulichung eines Teils eines Gasturbinentriebwerks
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist,
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2 eine
Querschnittsdarstellung einer Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Gasturbinentriebwerke
wie Turbo-Jet-Triebwerke, Bypass-Turbofan-Triebwerke,
Turboprop-Triebwerke und Turbomotoren können zum Antrieb von Luftfahrzeugen
(wie Flugzeuge, Hubschrauber und Flugkörper) verwendet werden und
können auch
zum Antrieb von Schiffen, Tanks, elektrischen Energieerzeugern und
Pipeline-Pumpeinrichtungen eingesetzt werden. Zu Erläuterungszwecken
wird die Erfindung hier im Zusammenhang mit einem industriellen
Gasturbinentriebwerk beschrieben. Es versteht sich aber, dass die
Erfindung in gleicher Weise auch auf andere Typen und/oder Anwendungen
von Gasturbinentriebwerken anwendbar ist. Außerdem bezieht sich die Erfindung
allgemein auf die Verwendung von Kühlluft aus einem Turbokühler zur
Kühlung
von Komponenten der Triebwerksbrennkammer und auf die Verwendung
der „verbrauchten" Kühlluft zur
Verbrennung. Gasturbinentriebwerke, die Turbokühler enthalten, sind an sich
bekannt, wie etwa das in der US-Patentschrift Nr. 5,392,614 mit
dem Titel „Gas
Turbine Engine Cooling System" beschriebene Triebwerk,
wobei das Patent auf die vorliegenden Patentinhaber übertragen
ist.
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1 veranschaulicht
eine Brennkammer 10 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wenngleich die Brennkammer 10 der
Triple-dome-Ringbauart ist, ist die Erfindung in gleicher Weise
auf eine Single-dome- oder Double-dome-Ringbauart, wie auch auf andere
Bauarten von Brennkammern für
Gasturbinentriebwerke anwendbar, wie etwa auf Einzel(Rohr)-Brennkammersysteme
und auf Rohr-Ring-Brennkammersysteme,
die in dem Gasturbinentriebwerk integriert oder von diesem getrennt
sein können,
wie dies dem Fachmann geläufig
ist.
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Die
Brennkammer 10 weist ein äußeres Brennkammergehäuse 12 und
ein inneres Brennkammergehäuse 14 auf.
Außerdem
verfügt
die Brennkammer 10 über
einen dem äußeren Brennkammergehäuse 12 nächstliegenden äußeren Brennkammereinsatz 16,
der zumindest teilweise einen Brennraum 18 begrenzt und,
allgemein in der Längsrichtung
gesehen, einen vorderen und hinteren Abschnitt 20 bzw. 22 aufweist.
In ähnlicher
Weise weist die Brennkammer 10 einen inneren Brennkammereinsatz 24 auf,
der unmittelbar nahe dem inneren Brennkammergehäuse 14 angeordnet
ist, der zumindest teilweise die Brennkammer 18 begrenzt
und der, allgemein in Längsrichtung
gesehen, einen vorderen und hinteren Abschnitt 26 bzw. 28 aufweist.
Zum Zwecke der Erläuterung
der Erfindung gilt, dass der jeweilige, in Längseinrichtung vordere Abschnitt
des inneren und äußeren Brennkammereinsatzes
die innere und die äußere Brennkammerhaube
und dergleichen mit umfasst. Jeder Brennkammereinsatz 16, 24 ist
mit Vorteil ein für
die Kühlluft
undurchlöcherter Brennkammereinsatz
(d.h. der Einsatz selbst hat keine Kühlluftlö cher). Die Brennkammer 10 weist
eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 mit einer Brennstoffdüse 32 auf,
die in der Brennkammer 10 angeordnet ist. Die Verbrennungsgasströmungsrichtung 34 in
der Brennkammer 18 verläuft
allgemein in Längsrichtung
hinter der Brennstoffdüse 32.
Außerdem
weist die Brennkammer 10 einen Diffusor 36 auf,
der in Längsrichtung
vor der Brennstoffdüse 32 angeordnet
ist, wobei der Diffusor 36 eine in Strömungsverbindung mit dem Hochdruckkompressor des
Gasturbinentriebwerks stehenden Einlass 38 und einen in
Strömungsverbindung
mit der Brennstoffdüse 32 stehenden
Auslass 40 aufweist.
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Die
Brennkammer 10 enthält
einen äußeren Kühlmittelströmungspfad 42 zwischen
dem äußeren Brennkammergehäuse 12 und
dem äußeren Brennkammereinsatz 18,
wobei dieser äußere Kühlmittelströmungspfad 42 in
unmittelbarer Nähe
zu dem in Längsrichtung
hinteren Abschnitt 22 des äußeren Brennkammereinsatzes 16 liegt
und sich zu einem Wandabschnitt 46 erstreckt. Der Einlass 44 steht über einen
Kanal 48 in Strömungsverbindung
mit dem Turbokühler.
Der Turbokühler
liefert Kühlluft
mit niedrigerer Temperatur und höherem
Druck (d.h. Gesamtdruck) als bei der diffundierten Luft von dem
Diffusor 36 vorhanden, wie dies dem Fachmann geläufig ist.
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Die
Brennkammer 10 enthält
außerdem
einen inneren Kühlmittelströmungspfad 50 zwischen dem
inneren Brennkammergehäuse 14 und
dem inneren Brennkammereinsatz 34, wobei der innere Kühlmittelströmungsweg 50 einen
Einlass 52 in unmittelbarer Nähe zu dem in Längsrichtung
hinteren Abschnitt 28 des inneren Brennkammereinsatzes 24 aufweist
und sich zu einem Wandabschnitt 54 in unmittelbarer Nähe zu dem
in Längsrichtung
vorderen Abschnitt 26 des inneren Brennkammereinsatzes 24 er streckt. Ähnlich wie
der Einlass 44 des äußeren Kühlmittelströmungspfades
steht der Einlass 52 über den
Kanal 48 in Strömungsverbindung
mit dem Turbokühler.
Der Turbokühler
liefert wiederum Kühlluft mit
niedrigerer Temperatur und höherem
Druck (d.h. Gesamtdruck) als bei der diffundierten Luft aus dem Diffusor 36 vorhanden,
wie dies dem Fachmann geläufig
ist.
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„Verbrauchte" Kühlluft vermischt
sich mit dem Brennstoff und strömt
mit dem Brennstoff durch eine äußere (O),
mittlere (M) und innere (I) Brennstoffzone, wie dies im Nachfolgenden
noch im größeren Detail
beschrieben wird. Jeder Kühlmittelströmungspfad 42, 50 enthält einen
Schild 56 mit einem einen Einlass 70 in dem äußeren Brennkammergehäuse 12 enthaltenden
vorderen Segment 68 und einem in Längsrichtung hinteren Abschnitt 72,
der in Längsrichtung
hinter dem Einlass 44 des anderen Kühlmittelströmungspfades 42 angeordnet
ist. Der Einführungsströmungspfadeinlass 70 steht über dem Kanal 48 mit
dem Turbokühler
in Verbindung, während
der in Längsrichtung
hintere Abschnitt 72 mit dem Einlass 44 des äußeren Kühlmittelströmungspfades 42 in
Strömungsverbindung
steht. Die Brennkammer 10 enthält eine Reihe Düsenleitschaufeln 74,
die unmittelbar an dem in Längsrichtung
hinteren Abschnitt 22 bzw. 28 des jeweiligen Brennkammereinsatzes 16 bzw. 24 angeordnet
sind und weist einen inneren Kühlmittelkanal 76 mit
einem Kühlmitteleinlass 78 auf,
der in Strömungsverbindung
mit dem in Längsrichtung
hinteren Abschnitt 72 des jeweiligen Einführungsströmungspfades 66 steht
und einen Kühlmittelauslass 80 auf,
der in Strömungsverbindung
mit dem Einlass 44 bzw. 52 des jeweiligen Kühlmittelströmungspfades 42 bzw. 50 steht.
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Während des
Gastriebwerkbetriebs werden die Brennkammereinsätze 16, 24 der
Brennkammer 10 mit von dem Kompressor abgeleiteter Kühlluft von hinten
(wo die kälteste
Kühlluft
am wirkungsvollsten zur Kühlung
der heißesten
Brennkammerbereiche eingesetzt wird) nach vorne prallgekühlt. Die „verbrauchte" Kühlluft vermischt
sich dann mit dem Brennstoff. Die Vermischung der „verbrauchten" Hochdruckkühlluft von
dem Turbokühler
mit dem Brennstoff erleichtert die Dispersion des Brennstoffs aus
der Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 in die Verbrennungskammer 18.
Eine derartige Anordnung trägt
auch zur Vergrößerung der
Brennstoff-/Luftenergieschergradienten in der Kammer 18 bei.
Es wird vermutet, dass daraus resultierend die Injektionsgeschwindigkeit
wesentlich erhöht
ist und die NOx-Emissionen reduziert sind.
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 100 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Einspritzvorrichtung 100 weist
eine äußere, eine
mittlere und eine innere Verwirbelungsanordnung 102, 104, 106 und
Brennstoff-/Luftströmungspfade 108, 110, 112 auf,
die sich durch die Einspritzvorrichtung zu der jeweiligen Verwirbelungseinrichtung 102, 104 und 106 erstrecken.
Jede Verwirbelungseinrichtung 102, 104, 106 weist
einen inneren Verwirbler IS und einen äußeren Verwirbler OS auf, die
in einen Verwirbelungstopf 114 eingelötet oder sonst wie eingefügt sind
und die um eine Nabe 116 umlaufen. Der inneren, und der äußere Verwirbler
IS bzw. OS laufen typischerweise im Gegensinn um. Die Verwirbler
IS- und OS- weisen Schaufeln unter einem Winkel in dem Bereich von
40° bis
60° bezüglich einer
Achse durch den Mittelpunkt des jeweiligen IS bzw. OS Verwirblers
auf. Brennstoff strömt
von einem Ringraum auf der Außenseite
jedes Schaufelsatzes in jede der Schaufeln ein und dann aus Löchern auf
der Saugseite jeder der Schaufeln aus. Beispiele von Verwirblern
und Schaufelkonstruktionen, die hier verwendet werden können sind
in der US-Patentschrift
Nr. 5,341,477 beschrieben, die auf die vorliegende Patentinhaberin
lautet.
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Verbrauchte
Kühlluft
strömt
in jede der Brennstoffzufuhrzonen O, M und I ein und vermischt sich
mit dem Brennstoff. Wenn die Brennstoffströmung und die Zusatzluftströmung stark
genug sind, um eine von der Schwerkraft herrührende Aufspaltung zu vermeiden
(zur Oberseite des Triebwerks aufsteigende Luft und am Boden des
Triebwerks sich absetzender Brennstoff) muss eine gleichmäßige Mischung
von Zusatzluft und Brennstoff aus den Löchern in den Schaufeln austreten.
Alternativ können die
Verwirbelungseinrichtungen 102, 104, 106 so
abgewandelt werden, dass bspw. unter Verwendung einer doppelwandigen
Schaufel Luft nahe den Brennstoffeinspritzlöchern der Schaufeln angesaugt
wird. Die Luft tritt dann in den inneren Schaufelhohlraum ein, während Brennstoff
in den Hohlraum zwischen der jeweiligen inneren und äußeren Schaufelwand eintritt.
Für von
dem inneren Hohlraum zur Außenseite
der Schaufel strömende
Luft gilt, dass die Luft den Brennstoffhohlraum überqueren muss und dass sie dabei
ein Aufbrechen und Zerstäuben
des Brennstoffes wegen der Strömungsscherbeanspruchung
hervorruft. Da der Brennstoff aus den Schaufellöchern in einer rechtwinklig
zu der Triebwerkskompressorluft aus dem Diffusor 36 ausströmt, ergibt
ein zusätzlicher
Strömungsschergradient
(wegen der durch die Zusatzluft bedingten höheren Geschwindigkeit des flüssigen Brennstoffs)
eine zusätzliche
verbesserte Zerstäubung
und eine verbesserte Luft-/Brennstoffmischung
in und strömungsabwärts von
den Luftverwirblern. Sowohl die Flüssigkeitströpfchengröße (Tröpfchenc luster) als auch das
Luft-/Brennstoffmischverhältnis
beeinflussen die örtlichen
Verbrennungstemperaturen und Emissionen auf allen Leistungsniveaus.
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Wenngleich
die Erfindung in Einzelheiten beschrieben und veranschaulicht wurde,
so ist dies doch so zu verstehen, dass es sich lediglich um eine Veranschaulichung
und um ein Beispiel handelt und dies nicht als eine Beschränkung zu
verstehen ist. Obwohl bspw. erläutert
ist, dass die Turbokühlerluft zum
Kühlen
gewisser Komponenten einer Brennkammer vor ihrer Einspeisung in
eine Brennstoffeinspritzvorrichtung benutzt wird, so wird es doch
auch als möglich
betrachtet, dass die kalte Turbokühlerluft zum Kühlen anderer
Komponenten eines Triebwerks oder sonst in irgendeiner Weise vor
ihrer Einspeisung in die Brennstoffeinspritzvorrichtung „verbraucht" werden kann.