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Die Erfindung betrifft Vorvermisch-Brennstoffinjektoren
für Gasturbinenmaschinen-Brennkammern
und insbesondere einen Vorvermisch-Brennstoffinjektor mit überlegener
Fähigkeit
zum Eliminieren einer Flamme aus dem Inneren des Injektors.
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Industrielle Gasturbinenmaschinen,
beispielsweise solche, wie sie zur elektrischen Stromerzeugung oder
als Industriekraftanlagen verwendet werden, sind stringenten Regulierungen
der Abgasemissionen ausgesetzt, insbesondere Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid
(CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Um die unerwünschten
Abgasemissionen zu minimieren, sind Industriegasturbinen mit Vorvermisch-Brennstoffinjektoren
ausgerüstet,
in denen Brennstoff und Luft gründlich
vorvermischt werden, bevor sie in die Maschinenbrennkammern abgegeben
und verbrannt werden. Das gründliche
Vorvermischen von Brennstoff und Luft stellt eine gleichförmige niedrige
Flammentemperatur sicher, die eine Voraussetzung für das Unterdrücken von
NOx-Bildung ist, und fördert
eine vollständige
Verbrennung.
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Ein Typ von Vorvermisch-Brennstoffinjektor ist
ein Injektor mit tangentialem Eintritt, Beispiele dafür sind in
den US-Patenten 5 307 634, 5 402 633, 5 461 865 und 5 479 773 beschrieben,
die alle auf die Inhaberin der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden.
Diese Injektoren zeigen das Merkmal einer ringförmigen Mischkammer, die radial
von einem sich axial erstreckenden Zentralkörper und einem Paar von kreisförmigen Bogenschnecken
begrenzt ist. Die Schnecken sind radial voneinander versetzt, um
ein Paar von Einlassschlitzen zu definieren, von denen jeder einen
Luftstrom tangential in die Mischkammer einlässt. Jede Schnecke weist eine
Reihe von Brennstoff-Injektionspassagen zum Einbringen von Brennstoff
in den einströmenden
Luftstrom auf. Die Luft und der Brennstoff gelangen in die Mischkammer, wirbeln
um den Zentralkörper
und werden intensiv miteinander vermischt. Die Luft-Brennstoff-Mischung strömt axial
durch die Mischkammer und wird in die Brennkammer der Maschine abgegeben,
wo sie entzündet
und verbrannt wird. Weil der Tangentialeintritts-Injektor eine äußerst gleichförmige, gründlich vermischte
Brennstoff-Luftmischung erzeugt, ist der Injektor außerordentlich
effektiv beim Unterdrücken einer
NOx-Bildung und beim Fördern
einer vollständigen
Verbrennung.
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Von Vorvermisch-Brennstoffinjektoren
wird erwartet, dass sie eine Anzahl von wünschenswerten Betriebseigenschaften
zusätzlich
zu der gründlichen Vermischung
von Brennstoff und Luft aufweisen. Beispielsweise sollte ein Vorvermisch-Injektor
eine räumliche
und zeitliche Stabilität
der Flamme in der Brennkammer fördern.
Ohne eine derartige Stabilität ist
die Brennkammer niederfrequenten Druckschwingungen ausgesetzt, die
die Brennkammer belasten und ihre Nutzlebensdauer verringern. Außerdem sollte
ein Vorvermisch-Brennstoffinjektor
resistent gegen interne Flammen sein. Das heißt, der Injektor sollte einer
Aufnahme der Verbrennungsflamme in die Mischkammer widerstehen und
schnell eine Flamme auswerfen, die den Aufnahmewiderstand überwindet.
Widerstand gegen eine interne Flamme ist wichtig, weil eine Verbrennung
in der Mischkammer leicht die Schnecken und den Zentralkörper beschädigen kann,
die alle eine eingeschränkte
Toleranz haben, hohen Temperaturen ausgesetzt zu sein.
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Leider sind die Anforderungen einer
gründlichen
Brennstoff-Luft-Vermischung, einer Flammenstabilität in der
Brennkammer und eines Widerstands gegen eine interne Flamme häufig in
Konflikt miteinander. Konstruktionsmerkmale, die eines dieser wünschenswerten
Merkmale verbessern, beeinträchtigen häufig eines
oder mehrere der anderen. Folglich ist das Erzielen einer effektiven
Kombination von gründlicher
Vermischung von Brennstoff und Luft, guter Flammenstabilität und eines
Widerstands gegen eine interne Flamme eine beträchtliche Herausforderung. Ein
Brennstoffinjektor mit einem guten Widerstand gegen eine interne
Flamme wird in den US-Patentanmeldungen 08/771 408 und 08/771 409,
die beide am 20. Dezember 1996 eingereicht wurden, und in EP-A-0849529
beschrieben. Der beschriebene Injektor hat einen Zentralkörper, der
derart kontouriert ist, dass die Brennstoff-Luft-Mischung axial
mit einer Geschwindigkeit strömt,
die hoch genug ist, um einer Flammenaufnahme zu widerstehen und
um ein Auswerfen einer Flamme zu fördern. Ein weiterer beispielhafter
Injektor ist in der US-Patentanmeldung 08/991 032 beschrieben, die
am 15. Dezember 1997 eingereicht wurde. Der beschriebene Injektor
zeigt das Merkmal einer Brennstoffpassagenanordnung, die derart
konfiguriert ist, dass sie Brennstoff nicht gleichförmig entlang
der Länge
des Lufteinlassschlitzes injiziert, um die Ungleichförmigkeit
der Brennstoff-Luft-Mischung zu verbessern und so unerwünschte Abgasemissionen
zu unterdrücken.
Der Injektor zeigt auch das Merkmal eines Zentralkörpers mit
einer Prallfläche
rechtwinklig zur Injektorachse und axial ausgerichtet mit der Injektorabgabeebene. Bei
Betrieb bleibt die Brennflamme tendenziell an der Pralloberfläche verankert,
verbessert die räumliche Stabilität der Flamme
und hält
die Flamme davon ab, in die Mischkammer zu wandern.
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Trotz der vielen Verdienste der vorangehend beschriebenen
Injektoren setzen Triebwerkhersteller ihre Bemühungen fort, Vorvermisch-Brennstoffinjektoren
zu perfektionieren und zu optimieren. Insbesondere suchen die Hersteller
nach zusätzlichen
Wegen, eine Flamme aus der Mischkammer zu eliminieren, ohne die
Abgasemissionen zu erhöhen
oder die Flammenstabilität
zu beeinträchtigen.
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Gemäß einem ersten Aspekt liefert
die vorliegende Erfindung einen Vorvermisch-Brennstoffinjektor,
wie er in Anspruch 1 beansprucht ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt liefert
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Vorvermisch-Brennstoffinjektors,
wie es in Anspruch 13 beansprucht ist.
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Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung,
mindestens in ihrer bevorzugten Ausführungsform, einen Vorvermisch-Brennstoffinjektor
mit überlegener
Fähigkeit
zum Eliminieren einer Flamme in der Mischkammer des Injektors bereitzustellen,
und das zu tun, ohne unerwünschte
Abgasemissionen zu erhöhen oder
die Flammenstabilität
in der Brennkammer zu beeinträchtigen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, das Einbringen von unnötiger Komplexität in den
Injektor oder seine Herstellung zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung sind die Brennstoff-Injektionspassagen
eines Tangentialeintritts-Vorvermisch-Brennstoffinjektors derart
orientiert und positioniert, dass Brennstoff, der von den Passagen
abgegeben wird, uneffizient ist, die Verbrennung aufrecht zu erhalten,
wenn der Injektor in einem verschlechterten Zustand arbeitet, der
mit einer Verbrennung in der Mischkammer einher geht.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Brennstoff-Injektionspassagen derart orientiert
und positioniert, dass, wenn der Injektor in dem verschlechterten
Zustand arbeitet, Brennstoffstrahlen, die von den Passagen ausgehen,
auf die benachbarte Schnecke prallen, statt radial zu dem Zentralkörper vorzudringen.
In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung üben
die den Lufteinlassschlitz begrenzenden Schnecken einen aerodynamischen
Einfluss auf die Brennstoffstrahlen auf, um das radiale Eindringen
der Strahlen zu begrenzen, wenn der Injektor in dem verschlechterten
Zustand arbeitet.
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Der Hauptvorteil der Erfindung ist
ihre Fähigkeit,
eine Flamme aus der Mischkammer zu eliminieren, ohne die Abgasemissionen
zu erhöhen,
die Flammenstabilität
zu beeinträchtigen
oder eine übermäßige Komplexität in den
Injektor oder seine Herstellung einzubringen.
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Einige bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine perspektivische weggeschnittene Ansicht eines Vorvermisch-Brennstoffinjektors für eine Industrie-Gasturbinenmaschine.
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2 ist
eine in der Richtung 2-2 von 1 genommene
Ansicht, die eine Brennstoffpassagen-Anordnung zeigt, die durch
die vorliegende Erfindung umfasst wird, und die den Injektorbetrieb
sowohl in einem vorgeschriebenen Zustand als auch in einem verschlechterten
Zustand zeigt.
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3 ist
eine ähnliche
Ansicht zu der von 2,
die eine Brennstoffpassagen-Anordnung
des Stands der Technik zeigt und die den Betrieb des Injektors des
Stands der Technik in dem verschlechterten Zustand zeigt.
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4 ist
eine Balkendarstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, die
die Effizienz und die Verdienste der Erfindung demonstriert.
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Die Erfindung basiert zum Teil auf
der folgenden Erkenntnis:
- 1. Die Verbrennung
in der Mischkammer eines Tangentialeintritts-Vorvermisch-Brennstoffinjektors
lässt den
Injektor in einem verschlechterten Zustand arbeiten, der durch eine
Verringerung der Geschwindigkeit und der Massenströmungsrate eines
Verbrennungsluftstroms gekennzeichnet ist, der in die Mischkammer
gelangt;
- 2. die verringerte Luftgeschwindigkeit ermöglicht es dem in den Luftstrom
eingebrachten Brennstoff, radial nach innen vorzudringen, ohne dass er
gründlich
mit der Verbrennungsluft vermischt wird; und
- 3. der nicht gründlich
vermischte Brennstoff trägt dazu
bei, die Verbrennung aufrecht zu erhalten und behindert ein Auswerfen
der Verbrennungsflamme aus der Mischkammer.
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Die 1 und 2 zeigen einen Vorvermisch-Brennstoffinjektor 10 für eine Industrie-Gasturbinenmaschine.
Der Injektor hat eine sich axial erstreckende Brennstoffinjektor-Mittellinie 12 und
weist eine vordere Abschlussplatte 14, eine hintere Abschluttplatte 16 und
mindestens zwei gekrümmte Schnecken 18 auf,
die sich axial zwischen den Abschlussplatten erstrecken. Eine Brennstoffinjektor-Abgabeöffnung 20 erstreckt
sich durch die hintere Abschlussplatte, und der hinterste Extrembereich
der Abgabeöffnung
definiert eine Brennstoffinjektor-Abgabeebene 22. Die Schnecken
und Abschlussplatten begrenzen eine Mischkammer 24, die
sich axial zur Abgabeebene erstreckt und in der Brennstoff und Luft
vorvermischt werden, bevor sie in einer Brennkammer 26 verbrannt
werden.
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Jede Schnecke hat ein umfangsmäßig vorderes
Ende 28, welches durch eine vergrößerte Lippe 32 gekennzeichnet
ist, und ein umfangsmäßig hinteres
Ende 34, welches an einer Hinterkante 36 endet.
Jede Schnecke hat auch eine radial innere Oberfläche 38, die auf die
Brennstoffinjektor-Mittellinie gerichtet ist und die radial äußere Grenze
der Mischkammer definiert. Jede innere Oberfläche ist eine gekrümmte Oberfläche und
ist insbesondere eine Teil-Rotationsoberfläche um eine jeweilige Schneckenachse 40a, 40b,
die in der Mischkammer angeordnet sind. So wie sie hier verwendet
wird, bedeutet die Bezeichnung "Teil-Rotationsoberfläche" eine Oberfläche, die
durch das Rotieren einer Linie um weniger als eine komplette Umdrehung
um eine der Achsen 40a, 40b erzeugt wurde. Die
Schneckenachsen sind parallel zu und gleichmäßig radial versetzt von der
Brennstoffinjektor-Mittelachse. Folglich kooperiert das vordere
Ende einer Schnecke mit dem hinteren Ende der benachbarten Schnecke,
um den radial inneren und den radial äußeren Endbereich eines Lufteinlassschlitzes 42 zum
Einlassen eines Primär-Verbrennungsluftstroms,
der durch die Strömungslinien 44 angegeben
ist, in die Mischkammer, zu definieren. Die radiale Breite W eines
jeden Schlitzes nimmt mit der Annäherung an die Mischkammer ab,
so dass jeder Schlitz den ankommenden Luftstrom in Richtung einer
Schlitz-Abgabeebene oder einer Einschnürung 46 beschleunigt.
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Die vergrößerte Lippe an dem vorderen Ende
einer jeden Schnecke nimmt eine Brennstoffversorgungs-Verteilereinrichtung 48 auf.
Eine Reihe von 15 axial verteilten Brennstoff-Injektionspassagen 52 geht
von jeder Verteilereinrichtung aus. Jede Passage 52 hat
eine Abgabeöffnung 54 zum
Einbringen eines gasförmigen
Primärbrennstoffs
in den Primär-Verbrennungsluftstrom 44.
Die Mittellinien 56 der Passagen 52 sind im wesentlichen
radial ausgerichtet.
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Die Schnecken 18 umgeben
kollektiv einen Zentralkörper 58,
der sich von der vorderen Abschlussplatte nach hinten erstreckt.
Der Zentralkörper
hat ein Basisteil 60, eine Düsenanordnung 62 und
eine Schale 64. Die Schale erstreckt sich von dem Basisteil
axial zu der Düsenanordnung,
um die radial innere Begrenzung der Mischkammer 24 und die
radial äußere Begrenzung
einer Sekundärluft-Versorgungsleitung 66 zu
definieren. Die Schale konvergiert in Richtung auf die Mittellinie 12 in
Richtung nach hinten, so dass der radiale Spielraum C, der die Schnecke
von dem Zentralkörper
separiert, in Richtung zu dem Abgabeende des Injektors zunimmt.
Das Basisteil 60 weist eine Reihe von Sekundärluft-Versorgungsöffnungen
auf, die in den Figuren nicht sichtbar sind, um Sekundärluft in
die Leitung 66 einzulassen. Das hintere Ende 68 der
Düsenanordnung
ist aufgeweitet, d. h. es ist breit und hat eine flache oder mäßig gerundete
Fläche,
und ist mit der Abgabeebene 22 im wesentlichen axial ausgerichtet. Ein
Sekundärbrennstoff-Versorgungsrohr 72 erstreckt
sich durch den Zentralkörper,
um Sekundärbrennstoff
der Düsenanordnung
zuzuführen.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Sekundärbrennstoff
ein gasförmiger
Brennstoff. Die Düsenanordnung
weist einen Satz von Abgabeöffnungen
auf, beispielsweise die repräsentative Öffnung 74,
zum Abgeben des Sekundärbrennstoffs
und der Luft in die Brennkammer 26.
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Der Injektor hat einen normalen oder
vorgeschriebenen Betriebszustand, der in der oberen Hälfte der 2 gezeigt ist. In dem vorgeschriebenen Betriebszustand
gelangt der Verbrennungsluftstrom 44 tangential (d. h.
umfangsmäßig] durch
jeden Einlassschlitz 42 in den Injektor. Ein Hochdruck-Brennstoffstrahl 76a geht
von jeder der Brennstoffpassagen 52 aus und wird quer in
den einströmenden
Luftstrom eingebracht. Weil die Geschwindigkeit der ankommenden
Luft beträchtlich
ist, wird der Brennstoffstrahl 76a umfangsmäßig abgelenkt,
wie durch die Brennstoffstrahl-Hauptbahn 78a angezeigt.
Der Brennstoffstrahl dringt radial nur etwa bis zur Hälfte der
Schlitzbreite W ein, bevor der Brennstoff mit der einströmenden Luft
im wesentlichen vermischt wird. Der Brennstoff und die Luft strömen in die
Mischkammer 24, wirbeln um den Zentralkörper und werden innigst vermischt.
Die wirbelnde Brennstoff-Luftmischung strömt auch axial durch die Mischkammer und
wird schließlich
durch die Abgabeöffnung 20 und in
die Brennkammer 26 abgegeben.
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Der Injektor hat auch einen verschlechterten Betriebszustand,
der mit der unerwünschten
Anwesenheit einer Verbrennung in der Mischkammer 24 assoziiert
ist. Der verschlechterte Betriebszustand eines Brennstoffinjektors
des Stands der Technik ist in 3 gezeigt.
Bei dem Injektor des Stands der Technik ist die Mittellinie 56' einer jeden
Brennstoffpassage 52' im
wesentlichen umfangs mässig
mit der Hinterkante von 36' der benachbarten Schnecke 18' und mit der
Einlassschlitz-Abgabeebene 46' ausgerichtet. In dem verschlechterten
Betriebszustand dehnen sich die heißen Verbrennungsprodukte in
der Mischkammer aus und behindern die Aufnahme von Luft durch die
Einlassschlitze 42'.
In der Folge ist die Massenströmungsrate
und die Geschwindigkeit des einströmenden Luftstroms 44' beträchtlich
vermindert, verglichen mit dem vorgeschriebenen Zustand. Folglich
bleibt der Brennstoffstrahl 76b' im wesentlichen intakt und wird
nur minimal abgelenkt, wie durch die Brennstoffstrahl-Hauptbahn 78b' angezeigt.
In der Nähe
des vorderen Endes des Injektors, wo das radiale Spiel C' zwischen der Schnecke
und dem Zentralkörper
gering ist, kann der intakte Brennstoffstrahl radial nach innen
in die Nähe
des Zentralkörpers
voran kommen, wo der Brennstoff lokal die Brennstoff-Luft-Mischung
anreichern kann. Die Geschwindigkeit der Brennstoff-Luft-Mischung
in der Nähe
des Zentralkörpers
und insbesondere in der Nähe
seines vorderen Endes kann auch zu langsam sein, um zuverlässig und
effektiv die Flamme durch die Injektorabgabeöffnung auszuwerfen oder hinauszudrängen. Die
dem radial eindringenden Brennstoffstrahl zuweisbare örtliche
Anreicherung verschärft
diesen Zustand nur und trägt
dazu bei, die Verbrennung aufrecht zu erhalten und fördert ein
Verbleiben der Verbrennungsflamme innerhalb der Mischkammer.
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Der Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffinjektors
in dem verschlechterten Betriebszustand ist in der unteren Hälfte von 2 gezeigt. Ausgewählte Brennstoff-Injektionspassagen 52,
und vorzugsweise alle Brennstoff-Injektionspassagen, sind relativ
zu dem hinteren Ende 34 der benachbarten Schnecke so positioniert,
dass Brennstoff, der aus den Passagen austritt, nicht effektiv ist,
die Verbrennung innerhalb der Mischkammer länger als ein begrenztes Zeitintervall
aufrecht zu erhalten. Die Länge
des Zeitintervalls hängt
zumindest teilweise von der Intensität der Verbrennungsflamme und
der Toleranz des Injektors für
eine Verbrennung innerhalb der Mischkammer ab. Das Zeitintervall
sollte ausreichend kurz sein, eine Beschädigung auszuschließen, die
den Injektor für
einen weiteren Betrieb ungeeignet macht. Insbesondere ist das Zeitintervall ein
solches, das kurz genug ist, dass ein anschließender Betrieb in dem vorgeschriebenen
Betriebszustand, wenn auch beeinträchtigt, dennoch zulässige minimale
Leistungsstandards überschreitet.
Eine beeinträchtigte
und den noch akzeptable Leistung wird an Hand von Abgasemissionen,
Flammenstabilität oder
anderen Kriterien, die für
den Triebwerkhersteller oder -eigentümer wichtig sind, beurteilt.
In der am präzisesten
definierten Ausführungsform
sind die Passagen so positioniert, dass der Brennstoff vollständig ineffektiv
ist, eine Verbrennung innerhalb der Mischkammer während des
Betriebs in. dem verschlechterten Zustand aufrecht zu erhalten.
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Bei dem gezeigten Injektor ist die
Position der Passagen in Form eines Versatz strecke δ relativ zu
der Schlitzabgabeebene ausgedrückt.
Die gezeigte Passage 52 ist so positioniert, dass ihre
Abgabeöffnung 54 umfangsmäßig strömungsaufwärts von der
Einlassschlitz-Abgabeebene 46 ist. Die Versatzstrecke ist
mindestens groß genug,
dass die Hauptbahn 78b des abgelenkten Brennstoffstrahls 76b die Hinterkante 36 der
benachbarten Schnecke streift, wenn der Injektor in dem verschlechterten
Zustand arbeitet. Das heißt,
die Brennstoffstrahl-Hauptbahn 78b verläuft umfangsmäßig nicht
weiter strömungsabwärts als
die Hinterkante 36 der benachbarten Schnecke an dem radial
innersten Extrembereich des Einlassschlitzes 42. In Folge
dieser gewählten Positionierung
der Passagen treffen die Brennstoffstrahlen 76b auf das
hintere Ende der benachbarten Schnecke, und die benachbarte Schnecke wirkt
als eine körperliche
Barriere, um ein radiales Eindringen der Brennstoffstrahlen zu begrenzen.
Als Ergebnis ist der von den Passagen 52 ausgehende Brennstoff
unfähig,
merklich die Brennstoffmischung in der Nähe des Zentralkörpers anzureichern.
In der Praxis kann die Versatzstrecke δ größer gemacht werden als das
in der Zeichnung gezeigt ist, um Faktoren wie beispielsweise Herstellungstoleranzen
und Ungenauigkeiten beim Vorhersagen der verschlechterten Hauptbahn 78b Rechnung
zu tragen. Es ist jedoch nicht empfehlenswert, die Passagen so weit strömungsaufwärts zu positionieren,
dass deren Abgabeöffnungen 54 in
einem Sektor S an der Schneckenlippe 32 reichen. Der Sektor
S ist ein Sektor, der anfällig
ist für
Strömungsablösung und
Turbulenz, wenn der Verbrennungsluftstrom 44 um die vergrößerte Lippe
strömt,
um in den Einlassschlitz 42 zu gelangen. Das Positionieren
der Passagenöffnung
in dem Sektor S könnte
für die
Injektorleistung in dem vorgeschriebenen Betriebszustand schädlich sein.
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Wie vorangehend beschrieben, sind
die Passagen so positioniert, dass das hintere Ende 34 der Schnecke
als eine körperliche
Barriere gegen ein radiales Eindringen des von der Passage ausgehenden
Brennstoffstrahls wirkt und den Brennstoff für ein Aufrechterhalten der
Verbrennung in der Mischkammer uneffizient macht. Alternativ können die
Passagen so positioniert sein, dass die Schnecken einen aerodynamischen
Einfluss an Stelle eines körperlichen
Einflusses ausüben,
um ein übermäßiges radiales
Eindringen der intakten Brennstoffstrahlen in dem verschlechterten
Zustand zu verhindern. Beispielsweise können die Passagen weit genug
strömungsaufwärts von
der Schlitzabgabeebene 46 positioniert sein, dass die einströmende Luft
selbst in dem verschlechterten Betriebszustand ausreichend Zeit
hat, sich mit dem Brennstoff zu vermischen und das Eindringen von
unverdünntem
Brennstoff in die Nähe
des Zentralkörpers
verhindert.
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Die Kritikalität der Position der Brennstoffpassage
wurde durch das Testen von fünf
Brennstoffinjektoren unter Zuständen
demonstriert, die repräsentativ
für die
in einer Maschine angetroffenen Zustände sind. Jeder Injektor war
mit Thermoelementen ausgerüstet,
um die Anwesenheit einer Verbrennung in der Mischkammer zu detektieren.
In jedem Test wurden Brennstoff und Luft in einem spezifizierten
Verhältnis
dem Testinjektor zugeführt.
Eine Zündquelle
wurde verwendet, um absichtlich eine Verbrennung in der Mischkammer
des Injektors zu starten. Sobald die Verbrennung etabliert war,
wurde die Zündquelle
außer
Betrieb genommen, und die Beständigkeit
der Verbrennung wurde überwacht durch
Beobachten der Thermoelement-Messwerte. Das Experiment wurde für jeden
Injektor bei verschiedenen Brennstoff-Luft-Verhältnissen wiederholt, um ein
Brennstoff-Luft-Schwellenverhältnis
zu etablieren, unterhalb von dem der Injektor die Flamme innerhalb
von 3 s nach dem Außerbetriebnehmen
der Zündquelle
eliminiert hatte. Jedes Brennstoff-Luft-Schwellenverhältnis wurde
dann als ein "Flammen-Auswurf-Grenzbereich" ausgedrückt, der der
prozentuale Unterschied zwischen dem Brennstoff-Luft-Schwellenverhältnis und
einem Referenz-Brennstoff-Luft-Verhältnis ist. Ein Verhältnis von 0,024
wurde gewählt
als Referenz, da 0,024 das maximale Brennstoff-Luft-Verhältnis ist,
welches man bei einem tatsächlichen
Betrieb in dem vorgeschriebenen Betriebszustand zu erfahren erwartet.
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Die in dem Balkendiagramm der 4 gezeigten Testergebnisse
zeigen den Flammen-Auswurf-Grenzbereich für jeden der fünf Injektoren
bei simulierten Zuständen,
die repräsentativ
für eine
Basislast (100% der Maschinen-Nennleistung) und 70% Basislast sind.
Die Injektorpopulation umfasst drei "Eltern"-Injektoren, die mit P1,
P2 und P3 bezeichnet sind
und zwei "Kind"-Injektoren, die
mit C1 und C3 bezeichnet
sind. Jeder Eltern-Injektor ist ein separates Individuum, welches
keine Hardwarekomponente mit den anderen beiden Eltern-Injektoren
gemeinsam hat. Die Kind-Injektoren sind aus der gleichen Hardware
wie ihre jeweiligen Eltern gebildet, wobei jedoch die ursprünglichen
Brennstoff-Injektionspassagen dichtend verschlossen und durch neu
gebohrte Passagen ersetzt sind. Die nominale Passagen-Versatzstrecke δ relativ
zu der Einlassschlitz-Abgabeebene (und deshalb auch relativ zu dem
nominalen Konstruktionsziel für
einen Injektor des Stands der Technik) ist in Mils (Tausendstel
eines Inch) gezeigt, wobei negative Werte einen Versatz in Richtung
strömungsabwärts anzeigen
(in Richtung zu der Mischkammer) und positive Werte einen Versatz
in der strömungsabwärtigen Richtung
(weg von der Mischkammer) anzeigen. Beispielsweise waren die Passagen
in einer der Schnecken des Injektors P1 77
Mils in Richtung zu der Mischkammer versetzt und die Passagen in
der anderen Schnecke des Injektors P1 waren
63 Mils weg von der Mischkammer versetzt.
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In manchen der Testergebnisse verhinderten die
Grenzen der Testeinrichtung eine präzise Identifizierung des tatsächlichen
Brennstoff-Luft-Schwellenverhältnisses.
In diesen Fällen
war es nicht möglich, ein
ausreichend hohes Brennstoff-Luft-Verhältnis zu erzielen, um den Injektor
unfähig
zu machen, die Flamme innerhalb von 3 s zu eliminieren. Diese Fälle sind
klar identifiziert durch Ungleichungsangaben an dem Balkendiagramm,
die anzeigen, dass der Flammenauswurf-Grenzbereich mindestens so
groß ist wie
die Höhe
des korrespondierenden Balkens.
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Der Injektor P1 ist
ein Injektor, von dem bekannt ist, dass er während verschiedener Entwicklungstests
einen unerwartet guten internen Flammen/Verbrennungs-Widerstand
zeigte. Eine Inspektion des Injektors ergab, dass die Nenn position
der Injektorpassagen signifikant (um +63 Mils und –77 Mils)
von dem normalen Konstruktionsziel abwich, vermutlich weil der Injektor
während
der Entwicklung wiederholt zusammengebaut und zerlegt wurde. Man hat
spekuliert, dass der Widerstand gegen eine interne Flamme des Injektors
der Position der Passagen zuweisbar sein kann. Diese Spekulation
hat zu der Entdeckung geführt,
dass eine Verbrennung in der Mischkammer energisch einer Lufteinnahme
entgegensteht und dass als Ergebnis die Brennstoffstrahlen nur minimal
abgelenkt wurden, so dass von den gemäß dem Stand der Technik positionierten
Passagen ausgehender Brennstoff radial weit genug vordringen kann,
um die Verbrennung aufrecht zu erhalten. Der kräftige und dramatische Einfluss
dieser gezielt positionierten Passagen wird verstärkt durch
die Beobachtung, dass der Injektor P1 einen überlegenen
Grenzbereich zeigt, obwohl die Brennstoff-Injektionspassagen an
einer der Schnecken in die ungünstige
Richtung, d. h. in Richtung zur Mischkammer, deutlich versetzt sind.
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Injektoren P2 und
P3 sind konventionelle Injektoren, deren
Brennstoff-Injektionspassagen in etwa in Übereinstimmung mit dem Konstruktionsziel positioniert
sind, d. h. in etwa ausgerichtet mit der Hinterkante der benachbarten
Schnecke, wie man in 3 erkennt.
Zusammengenommen zeigten diese Injektoren einen durchschnittlichen
Auswurf-Grenzwert von etwa 19% (Mittelwert von 21, 18, 18 und 17). Injektor
C1 und C2 sind Injektoren,
deren Brennstoff-Injektionspassagen weg von der Mischkammer gemäß der vorliegenden
Erfindung positioniert sind. Diese Injektoren zeigten zusammengenommen
einen gemittelten Grenzwert von nicht weniger als 30%, da der gemittelte
Grenzwert von C1 30% und der gemittelte
Grenzwert von C3 mindestens 30% ist. Somit
ist klar, dass ein gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierter Injektor einen dramatisch verbesserten Auswurf-Grenzwert
hat – mindestens
58% höher
als der eines konventionellen Injektors gemäß der experimentellen Ergebnisse.
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Die vorangehende Beschreibung der
Erfindung ist auf einen Brennstoffinjektor gerichtet, dessen Brennstoff-Injektionspassagen
im wesentlichen radial orientiert sind. Jedoch können nicht-radiale Ausrichtungen
vorteilhaft den Flammen-Auswurf-Grenzbereich des Injektors beeinflussen.
Beispielsweise kann eine Passage, die so ausgerichtet ist, dass
sie den Brennstoff mit einer Geschwindigkeitskomponente, die umfangsmäßig weg
von der Mischkammer gerichtet ist, injiziert, effektiver sein als eine ähnlich positionierte
radial ausgerichtete Passage.
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In der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind alle Brennstoff-Injektionspassagen wie vorangehend
beschrieben ausgerichtet und positioniert. Jedoch kann die Verbesserung
bei dem Flammen-Auswurf-Grenzbereich auch erzielbar sein, selbst
wenn weniger als alle die Passagen, wie beschrieben, positioniert
und orientiert sind. Beispielsweise sind die Passagen einer Untergruppe
von Passagen in der Nähe
des vorderen Endes des Injektors diejenigen, die am wahrscheinlichsten
zur Beibehaltung der Verbrennung in dem Injektor beitragen. Deshalb
kann ein verbesserter interner Flammenwiderstand erzielt werden,
selbst wenn nur die vorderste Untergruppe von Passagen so wie hier
beschrieben orientiert und positioniert ist. Es gibt jedoch keinen bekannten
Nachteil für
das Positionieren und Orientieren der gesamten Anordnung von Passagen,
wie beschrieben, und dieses so vorzunehmen erleichtert die Einfachheit
der Herstellung.
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Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme
auf eine detaillierte Ausführungsform
gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann in dem Technikgebiet
verstehen, dass verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung
abzuweichen, wie sie in den begleitenden Ansprüchen dargelegt ist.