Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenmotoren und insbesondere auf
verbesserte Brennstoffeinspritzvorrichtungen für Turbinenmotoren sowie auf
Turbinenmotoren, die diese Einspritzvorrichtungen benutzen.
Grundlagen der Erfindung
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Der dem Anmelder bekannte, nächstliegende Stand der Technik ist durch
das US-Patent US-A-3 613 360 gegeben, das am 19. Oktober 1971 für Howes
ausgegeben wurde. Es offenbart eine Brennstoffeinspritzvorrichtung mit
einem Kanister, der an einer äußeren Wand eines Ringbrenners angeordnet
ist und der sich durch eine innere Wand erstreckt, wobei eine Düse
innerhalb des Kanisters angeordnet ist, die Brennstoff allgemein
tangential in den Ringbrenner sprüht. Ein in dem Kanister zwischen der inneren
und der äußeren Wand angeordneter Lufteinlaß gestattet ein Vermischen
von Luft mit dem Brennstoff. US-A-3 972 182 offenbart eine axial
gerichtete Brennstoffeinspritzvorrichtung, in der eine Vernebelung des
Brennstoffs verbessert wird durch Durchleitung des Luft/Brennstoff-Gemischs
durch Wirbelschaufeln und über eine Venturi-Fläche.
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Herkömmliche Ringbrenner, die in luftatmenden Turbinen verwendet werden,
haben eine große Zahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen. In kleinen
Gasturbinen verursacht dies zahlreiche Schwierigkeiten und wird
unpraktisch. Beispielsweise nimmt der Brennstoffverbrauch mit Abnahme der
Turbinengröße ab, und dies erfordert wiederum eine Verminderung der Größe
der Brennstoffdurchgänge jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung, wenn eine
gewünschte Vernebelung erreicht werden soll. Wenn die Größe der
Brennstoffdurchgänge vermindert wird, vergrößern sich jedoch
Verstopfungsprobleme bedeutend. Dies kann wiederum zur Entwicklung unerwünschter heißer
Stellen und auch zu Unwirksamkeiten der Verbrennung führen.
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Ferner können in kleinen Turbinenmotoren Vorgänge mit niedriger
Geschwindigkeit aufgrund geringer Luftgeschwindigkeit und sich daraus
ergebender schlechter Vernebelung des Brennstoffs schwierig sein, was
wiederum unzuverlässige und/oder unwirksame Verbrennung hervorruft.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der
oben genannten Probleme zu beseitigen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Wesentliche Aufgabe ist es, einen neuen und verbesserten Turbinenmotor
zu schaffen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen
Turbinenmotor mit neuen und verbesserten Brennstoffeinspritzvorrichtungen
zu schaffen, die ideal zur Verwendung in kleinen Turbinenmotoren
geeignet sind. Es ist auch eine wesentliche Aufgabe der Erfindung, eine neue
und verbesserte Brennstoffeinspritzvorrichtung zu schaffen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die vorstehenden Aufgaben durch
einen Turbinenmotor gelöst, der ein drehbares Turbinenrad, einen mit dem
Turbinenrad gekoppelten Rotationskompressor und einen Ringbrenner
aufweist, der Druckluft von dem Kompressor sowie Brennstoff von einer
Brennstoffquelle erhält und der den Brennstoff zur Erzeugung von
Verbrennungsgasen zum Antrieb des Turbinenrades verbrennt. Der Brenner
weist eine radial innere Ringbrennzone umgeben von einem äußeren
Ringdruckluftverteiler
auf, der durch beabstandete innere und äußere Wände
definiert ist, wobei die innere Wand die äußere Begrenzung der Brennzone
definiert. Eine Vielzahl von winkelmäßig beabstandeten
Einspritzbaugruppen ist an der äußeren Wand befestigt und erstreckt sich durch die
innere Wand in die Brennzone. Jede Einspritzbaugruppe weist einen länglichen
Körper auf, der einen hohlen Innenraum mit einer Öffnung an einem Ende
hat, die in die Verbrennungszone allgemein tangential dazu mündet. Eine
Venturi-Fläche ist in dem hohlen Innenraum unmittelbar innerhalb der
Öffnung angeordnet, und der Körper weist wenigstens einen Einlaß zu dem
hohlen Innenraum auf, der in einer Seite des Körpers zwischen der
inneren und der äußeren Wand angeordnet ist. Ein Brennstoffeinspritzrohr ist
innerhalb des hohlen Innenraums angeordnet und endet innerhalb des
hohlen Innenraums benachbart zu der Öffnung in einem offenen Ende und in
Ausrichtung mit dem offenen Ende und allgemein tangential zu der
Verbrennungszone. Das offene Ende des Rohres ist so dicht wie möglich an
der Venturi-Fläche angeordnet, ohne daß das Rohr den Widerstand der
Luftströmung von dem hohlen Innenraum durch die Öffnung wesentlich
erhöht.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Rohr ein etwa J-förmig
gestaltetes Rohr und weist zusätzlich Wirbelmittel an seinem Inneren
stromaufwärts von seinem offenen Ende auf.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jede
Einspritzbaugruppe allgemein auf einem Radius der Verbrennungszone angeordnet.
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Die Erfindung sieht auch die Schaffung einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung für einen Turbinenmotor vor, die ein längliches, im allgemeinen
zylindrisches Metallgußteil aufweist, das eine zylindrische Oberfläche
hat, die an einem Ende mit einer stumpfkegeligen Fläche endet. Eine
Bohrung, deren Achse senkrecht zu der stumpfkegeligen Fläche ist, erstreckt
sich durch das Gußteil, um einen Lufteinlaß in der zylindrischen
Oberfläche und einen Brennstoff- und Luftauslaß in einer stumpfkegeligen
Fläche zu bilden. Die Bohrung ist am Auslaß verengt, um dort eine
Einschnürung zu bilden, und ein gekrümmtes Rohr von wesentlich geringerem
Durchmesser als die Bohrung ist wenigstens teilweise innerhalb der
Bohrung angeordnet und dient als Brennstoffeinspritzrohr. Das Rohr hat ein
offenes Ende auf und senkrecht zu der Bohrungsachse und ist der
Einschnürung dicht benachbart, ohne den Widerstand der Luftströmung durch
die Einschnürung zu erhöhen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Einschnürung einen
inneren Abschnitt eines Torus auf, um dadurch eine konvexe Fläche zu
bilden, die auf den Einlaß zu weist, sowie einen zylindrischen
Abschnitt, der sich von dem inneren Abschnitt zu dem Auslaß erstreckt.
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Die Erfindung sieht ferner eine Kerbe in dem Gußteil und insbesondere in
dessen zylindrischer Oberfläche vor. Die Kerbe hat eine Breite und eine
Tiefe größer als der Durchmesser des Rohres und erstreckt sich von dem
Einlaß zu einem Ende des Gußteils entgegengesetzt zu der stumpfkegeligen
Fläche. Die Kerbe nimmt einen Teil des Rohres so auf, daß das Rohr
vollständig innerhalb der zylindrischen Umhüllung des Gußteils liegt, um
dadurch das Zusammenfügen des Rohres und des Gußteils zu einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung zu erleichtern und um ferner die Installation der
Brennstoffeinspritzvorrichtung in dem Brenner eines Turbinenmotors zu
erleichtern.
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Andere Gegenstände und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung in
Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine etwas schematische Schnittansicht eines
Turbinenmotors mit Brennstoffeinspritzvorrichtungen gemäß der Erfindung;
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Fig. 2 ist eine vergrößerte, bruchstücksweise Schnittansicht einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung etwa längs der Linie 2-2 in
Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine Ansicht eines Gußteils, das einen Teil eines Gehäuses
einer Brennstoffeinspritzvorrichtung bildet; und
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Fig. 4 ist eine vergrößerte, bruchstücksweise Schnittansicht, die die
Spitze der Brennstoffeinspritzvorrichtung veranschaulicht.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Eine beispielhafte Ausführung einer Gasturbine, hergestellt gemäß der
Erfindung, ist in den Zeichnungen in Form einer luftatmenden
Radialströmungs-Gasturbine veranschaulicht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
Radialströmungsturbinen beschränkt und kann für jede andere Art von
luftatmenden Turbinen mit Ringbrenner angewandt werden.
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Die Turbine weist eine drehbare Welle 10 auf, die in nicht gezeigten
Lagern gelagert ist. Benachbart einem Ende der Welle 10 ist ein
Einlaßbereich 12. Die Welle 10 trägt einen Rotor, der allgemein mit 14
bezeichnet ist und der von herkömmlicher Konstruktion sein kann. Demgemäß weist
der Rotor eine Vielzahl von Kompressorschaufeln 16 auf, die dem Einlaß
12 benachbart sind. Eine Kompressorschaufelabdeckung 18 ist benachbart
hierzu vorgesehen, und unmittelbar radial außerhalb der radial äußeren
Teile der Kompressorschaufeln 16 ist ein konventioneller Diffusor 20
vorgesehen.
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Entgegengesetzt zu den Kompressorschaufeln 16 hat der Rotor 14 eine
Vielzahl von Turbinenschaufeln 22. Gerade außerhalb der
Turbinenschaufeln 22 ist eine Ringdüse 24 vorgesehen, die heiße Verbrennungsgase von
einem Ringbrenner aufnehmen kann, der allgemein mit 26 bezeichnet ist.
Das Kompressorsystem mit den Schaufeln 16, der Abdeckung 18 und dem
Diffusor 20 liefert heiße Luft zu dem Ringbrenner 26 und über
Verdünnungsluftdurchgänge 27 zu der Düse 24 zusammen mit den Verbrennungsgasen. Das
heißt, heiße Verbrennungsgase von dem Brenner werden über die Düse 24
gegen die Schaufeln 22 geleitet, um eine Drehung des Rotors und damit
der Welle 10 zu bewirken. Die letztere kann natürlich mit irgendeiner
Vorrichtung gekuppelt sein, die nützliche Arbeit ausführen soll.
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Eine Turbinenschaufelabdeckung 28 ist in den Brenner 26 eingebaut, um
den Strömungsweg von der Düse 24 abzuschließen und das expandierende Gas
auf den Bereich der Turbinenschaufeln 22 zu beschränken.
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Der Brenner 26 hat eine allgemein zylindrische innere Wand 32 und eine
allgemein zylindrische äußere Wand 34. Die beiden Wände sind
konzentrisch und laufen in einem verengten Bereich 36 zusammen, der als Auslaß
von einem inneren Ringraum 38 des Brenners 26 zu der Düse 24 dient. Eine
dritte Wand 39, die allgemein konzentrisch mit den Wänden 32 und 34 ist,
erstreckt sich allgemein radial zur Verbindung der Wände 32 und 34 und
zur weiteren Begrenzung des Ringraums 38.
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Entgegengesetzt zu dem Auslaß 36 und benachbart zu der Wand 39 weist der
innere Ringraum 38 des Brenners 26 eine primäre Verbrennungszone 40 auf,
in der primär die Verbrennung des Brennstoffs auftritt. Eine weitere
Verbrennung kann in einigen Fällen stromabwärts von dem primären
Verbrennungsbereich 40 in Richtung des Auslasses 36 stattfinden. Wie zuvor
erwähnt, wurde Vorsorge für den Einlaß von Verdünnungsluft durch die
Durchgänge 27 in den Brenner 26 stromabwärts von der primären
Verbrennungszone 40 geschaffen, um die Verbrennungsgase auf eine Temperatur
abzukühlen, die für das Aufbringen auf die Turbinenschaufeln 22 über die
Düse 24 geeignet ist.
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In jedem Fall ist ersichtlich, daß die primäre Verbrennungszone 40
ringförmig oder ein ringförmiger Raum ist, begrenzt durch die allgemein
radial innere Wand 32, die allgemein radial äußere Wand 34 und die Wand
39.
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Eine weitere Wand 44 ist allgemein konzentrisch zu den Wänden 32 und 34
und ist radial außerhalb der letzteren angeordnet, um einen Verteiler zu
bilden. Die Wand 44 erstreckt sich zu dem Auslaß des Diffusors 20 und
dient somit dazu, komprimierte Luft von dem Kompressorsystem
zusammenzuhalten und zu dem Brenner 26 zu führen. An der Wand 44 und sich durch
die Wand 34 erstreckend sind Einspritzvorrichtungen angeordnet, die
allgemein mit 46 bezeichnet sind.
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In einem typischen Fall können sechs Einspritzvorrichtungen 46
vorgesehen sein, und sie können gleichförmig winkelmäßig voneinander um die
Drehachse der Welle 10 beabstandet sein. Die Einspritzvorrichtungen 46
erstrecken sich in die primäre Verbrennungszone 40 mittels zueinander
ausgerichteter Öffnungen 50 und 52 in den Wänden 34 und 44 (Fig. 2).
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Eine verstärkende Dichtung 54 kann an der inneren Oberfläche der Wand 34
um jede der Öffnungen 50 herum angeordnet sein, während an der äußeren
Oberfläche der äußeren Wand 44 ein Halteblock 56 angeordnet sein kann.
Der Halteblock 56 weist eine innere Öffnung 58, die mit der Öffnung 52
ausgerichtet ist, sowie Gewindebohrungen 60 auf.
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Eine Kupplung 62 an dem Ende eines Rohres 64, das sich zu einer (nicht
dargestellten) Brennstoffquelle erstreckt, hat einen verminderten
Durchmesser 66, der einen mit einer Öffnung versehenen Halteflansch 68
aufnimmt. Der Halteflansch 68 weist Öffnungen 70 auf, die mit den
Gewindebohrungen 60 zur Aufnahme von mit Gewinde versehenen Befestigungsmitteln
71 (von denen nur eines gezeigt ist) ausrichtbar sind, durch die die
Kupplung 62 fest gegen die Halteplatte 56 geklemmt werden kann.
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Die Kupplung 62 bildet einen Teil der Einspritzvorrichtung 46 und weist
eine allgemein kreisförmige Ausnehmung 72 auf, die eine zentrale,
relativ flache konische Oberfläche 74 hat. Ein Einspritzkörper 76 ist
vorzugsweise als Gußteil ausgebildet, das eine langgestreckte äußere
zylindrische Oberfläche 78 und ein oberes Ende 80 mit einer zylindrischen
Ausnehmung 82 hat. Das Ende 80 ist innerhalb der Ausnehmung 72 der
Kupplung 62 aufgenommen, wobei sich die konische Oberfläche 74 in dieses
Ende hinein erstreckt. Jede geeignete Verbindungsart, wie Löten, kann
verwendet werden, um die Komponenten miteinander zu sichern.
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Das entgegengesetzte Ende 84 des Körpers 76 weist eine stumpfkegelige
Fläche 86 auf. Eine Bohrung 88 ist durch den Körper 76 längs einer Achse
89 gebohrt, die, wie ersichtlich, normal (rechtwinklig) zu der
stumpfkegeligen Fläche 86 ist. Die zur Bilding der stumpfkegeligen Fläche 86 und
zur Wahl der Achse 89 verwendeten Winkel sind derart, daß die Achse
allgemein tangential zu der primären Brennzone 40 ist (Fig. 1).
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Die Bohrung 88 weist einen weiten Abschnitt 90, einen Abschnitt 92 mit
einem mittleren Durchmesser und einen Abschnitt 94 mit einem verengten
Durchmesser auf. Der erweiterte Abschnitt 90 öffnet sich zu einer Seite
des Körpers 76, d.h. in einre zylindrischen Oberfläche 78, wie in den
Fig. 2 und 3 ersichtlich. Wie am besten aus Fig. 2 zu sehen ist, steht
diese Öffnung in Fluidverbindung mit dem Raum zwischen den Wänden 34 und
44, die einen Verteiler für die Druckluft von dem Kompressor bilden, wie
zuvor erwähnt, und der somit einen Lufteinlaß zum Inneren der Bohrung 88
definiert.
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Wie in den Fig. 2 und 4 ersichtlich, öffnet sich der Abschnitt 94 mit
verengtem Durchmesser durch einen Teil der stumpfkegeligen Fläche 86 am
Ende 84 und dient als Auslaß für Brennstoff und Luft aus der
Einspritzvorrichtung 46, wodurch Brennstoff und Luft in die primäre Brennzone 40
in einer Richtung allgemein tangential dazu eintreten können.
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Wie wiederum Fig. 2 zeigt, weist jede Einspritzvorrichtung 46 ein
allgemein J-förmiges oder geringfügig gebogenes oder gekrümmtes Rohr 96 auf.
Ein Ende 90 des Rohrs 96 ist innerhalb der Kupplung 62 in
Fluidverbindung mit dem Inneren des Rohres 64 angeordnet, um Brennstoff aus diesem
zu erhalten. Das entgegengesetzte Ende 100 des Rohrs 96 ist ein offenes
Ende und ist innerhalb der Bohrung 88 angeordnet. Wie in den Fig. 2 und
4 zu sehen, ist das Ende 100 normal (rechtwinklig) zu der Achse 89 der
Bohrung 88 und auf dieser angeordnet.
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Wie am besten in Fig. 3 zu sehen, ist der Körper 76 auch mit einer Kerbe
102 in seinem Ende 80 versehen. Die Kerbe 102 erstreckt sich von dem
weiten Abschnitt 90 der Bohrung 88 vollständig zu dem Ende 80 und hat
ausreichende Breite (Fig. 3) und Tiefe (Fig. 2), so daß das Rohr 96 dort
zu der Kupplung 62 hindurchgehen kann, während es vollständig innerhalb
der zylindrischen Umhüllung des Körpers 76 liegt, d.h. des Zylinders,
der durch die zylindrische Oberfläche 78 definiert würde, wenn der durch
den erweiterten Abschnitt 90 der Bohrung 88 definierte Einlaß nicht
vorhanden wäre. Die Kerbe 102 dient somit zur Erleichterung des
Zusammenbaus des Rohrs 96 mit dem Körper 76. Und weil das erstere vollständig
innerhalb der zylindrischen Umhüllung des letzteren liegt, ist das
Anbringen jeder Einspritzvorrichtung 46 an einem Brenner vereinfacht, da
diese leicht durch die Öffnungen 50, 52 ohne Störung durch das Rohr 96
hindurchgeht.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Innere des Rohres 96,
stromaufwärts von dem Ende 100, mit einem Brennstoffverwirbler versehen,
der allgemein mit 104 bezeichnet ist ( Fig. 2 und 4). Der Verwirbler 104
kann die Form eines Stopfens 106 haben, der mit einer oder mehreren
spiralförmigen Nuten 108 versehen ist, die dazu dienen, dem Brennstoff
eine Wirbelbewegung zu verleihen, wenn dieser durch das Rohr 96 zu dem
Ende 100 hin strömt. Der Verwirbler 104 ist durch eine Mündung 109 am
Ende 100 des Rohrs 96 vervollständigt, die als innerer Abschnitt eines
Torus gestaltet ist.
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Wie wiederum Fig. 4 zeigt, hat der Abschnitt 94 mit vermindertem
Durchmesser die Form eines Zylinders und ist von dem Abschnitt 92 mit
mittlerem Durchmesser durch eine konvexe Rotationsfläche 110 getrennt, die zu
dem Lufteinlaß hin weist, der durch den weiten Abschnitt 90 gebildet
ist. Die Begrenzungen der Rotationsfläche sind durch Linien 112 und 114
definiert, wie in Fig. 4 zu sehen, und die Rotationsfläche 110 definiert
eine Venturi-Fläche unmittelbar oberhalb des Luft/Brennstoff-Auslasses
von dem Körper 76. Die Rotationsfläche 110 ist ein innerer Abschnitt
eines Torus, der auf der Achse 89 der Bohrung 88 zentriert ist und der
einen Radius hat, der durch den mit 116 bezeichneten Pfeil in Fig. 4
angezeigt ist.
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Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Beziehung des Endes 100 des
Rohrs 96 zu der soeben beschriebenen Verengung oder Venturi-Fläche. Eine
genaue Lage ist veränderlich und hängt ab von der speziellen Geometrie
und Bemessung der Komponenten, die für eine bestimmte
Einspritzvorrichtung gewählt werden, aber das Prinzip der Anordnung ist wie folgt: Das
Rohrende 100 wird gegen die Verengung der Düse gebracht, d.h. die
Verengung oder Venturi-Fläche, und wird an dem Punkt angehalten, an dem die
Gegenwart des Rohrs 96 innerhalb der Bohrung 88 in der Nachbarschaft
dieser Verengung beginnt, den Widerstand der Luftströmung durch den
Luft/Brennstoff-Auslaß zu erhöhen. Anders ausgedrückt, wird das Ende 100
des Rohrs 96 so dicht wie möglich an die Verengung gebracht, ohne den
Widerstand gegenüber der Luftströmung durch den Luft/Brennstoff-Auslaß
der Einspritzvorrichtung 46 zu erhöhen.
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Im allgemeinen ist es zu bevorzugen, die Verwirbelungsmittel 104 bei der
Erfindung zu verwenden, da diese für eine hervorragende Vernebelung des
Brennstoffs sorgen und damit eine wirksame Verbrennung fördern und die
Bildung von Rauch unterdrücken. In solchen Fällen jedoch, in denen eine
hervorragende Vernebelung nicht erforderlich sein kann, können die
Verwirbelungsmittel 104 weggelassen werden.
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Wenn der Verwirbler 104 weggelassen wird, wird es bevorzugt, daß das
Rohr 96 einen Abschnitt eines Kapillarrohrs aufweist. Ein solcher
Abschnitt dient dazu, sogenannte "Verteilerkopf"-Probleme zu minimieren
oder auf andere Weise zu beseitigen, die in Turbinenmotoren bei großen
Höhenlagen für geringe Brennstoffströme auftreten können. Solche
Verteilerkopf-Probleme, wenn sie nicht beherrscht werden, resultieren in
bedeutend größeren Brennstoffströmen aus den unteren
Einspritzvorrichtungen des Motors als in physikalisch höheren Einspritzvorrichtungen,
als Ergebnis der auf die Brennstoffsäule wirkenden Schwerkraft wegen des
geringen vorherrschenden Drucks, und sie bewirken eine wenig effiziente
und unzuverlässige Verbrennung.
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In einigen Fällen, insbesondere wenn der Verwirbler 104 verwendet wird,
gestattet die hervorragende Vernebelung des Brennstoffs, die mit der
Einspritzvorrichtung gemäß der Erfindung erzielt wird, daß dieselbe
zusätzlich als Start-Einspritzer verwendet wird. In solchen Fällen dient
die Einspritzvorrichtung der Erfindung der doppelten Funktion des
Einspritzens zum Start und des Einspritzens für normale Betriebsbedingungen
und schafft eine Möglichkeit, Start-Einspritzvorrichtungen vollständig
wegzulassen.
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Schließlich ist zu bemerken, daß die Fig. 2 bis 4 der Erfindung
Zeichnungen in vergrößertem Maßstab darstellen und daß in dem gewöhnlichen
Fall die Gesamtlänge des Rohrs 96 für einen kleinen Turbinenmotor, mit
dem die Einspritzvorrichtungen am vorteilhaftesten zu verwenden sind, in
der Größenordnung von 20 bis 22 mm liegen wird.