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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung ist auf ein Verfahren zum Verhindern oder vollständig Unterbinden
von Instabilität während des
Betriebs einer Gasturbinenmaschine gerichtet, wobei die Instabilität von einer
unkontrollierten Wechselwirkung in dem durch ein Hitzeschild und
einer Brennstoffpassage definierten luftgefüllten Spalt in einem konventionellen
Brennstoffinjektor herrührt,
insbesondere während
einem Betrieb bei niedriger Leistung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines länglichen
Brennstoffinjektors um so eine Instabilität während des Betriebs einer Gasturbinenmaschine
zu verhindern, wobei die Instabilität von der unkontrollierten
Wechselwirkung in dem durch ein Hitzeschild und einer Brennstoffpassage definierten
luftgefüllten
Spalt in einem konventionellen Brennstoffinjektor herrührt. Ein
konventioneller Brennstoffinjektor ist in
US 5269468 beschrieben.
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Konventionelle
Brennstoffsteuersysteme sind ausgelegt auf der Annahme, dass der
Brennstoff unkomprimierbar ist und durch ein Leitungssystem festen
Volumens zu den Injektorspitzen strömt. Deshalb basiert die Brennstoffsteuerung
auf der Zufuhr eines bekannten Volumens von unkomprimierbarem Brennstoff
während
einer bekannten Zeitdauer.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass eine Triebwerksinstabilität insbesondere
bei niedrigen Leistungsniveaus (bekannt als Maschinen-„Hooting") durch die Wechselwirkung
des druckbeaufschlagten Brennstoffs "mit einem gefangenen Luftvolumen in einem
Spalt verursacht wird, der konventionell als ein Isolator zwischen
einem Brennstoffinjektorhitzeschild und einer Brennstoffpassage
in dem Injektorstab verwendet wird.
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Die
gefangene Luft wird komprimiert und entspannt, wenn sich der Brennstoffdruck ändert und der
in dem Spalt gespeicherte Brennstoff wird auf unkontrollierte Weise
freigegeben, was zu Maschineninstabilität führt.
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Konventionell
weist eine Gasturbinenmaschine einen länglichen Brennstoffinjektor
mit einem Injektorstab mit einer internen Brennstoffpassage auf,
die von einem Triebwerksbefestigungsende zu einer Injektorspitze
an einem Abgabeende geht. Der Stab weist ein rohrförmiges internes
Hitzeschild auf, welches in der Brennstoffpassage angeordnet ist. Das
Hitzeschild ist an der Brennstoffpassage dem Befestigungsende des
Stabs benachbart befestigt und nach innen von der Brennstoffpassage
beabstandet und definiert so einen länglichen, ringförmigen wärmeisolierenden
Spalt zwischen der Brennstoffpassage und dem Hitzeschild.
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Der
luftgefüllte
Spalt ist zu der Brennstoffpassage offen, da es erforderlich ist,
eine wärmeinduzierte
Relativbewegung zwischen dem Hitzeschild und der Brennstoffpassage
zu erlauben. Das Hitzeschild wird durch die Strömung von relativ kühlem Brennstoff
gekühlt,
während
der Injektorstab infolge der Temperaturen der umgebenden, verdichteten Umgebungsluft
relativ heiß ist.
Bis heute wurde die Anwesenheit dieses offenen, luftgefüllten Isolierspalts
nicht als problematisch angesehen, da man der Auffassung war, dass
sich während
des anfänglichen
Betriebs schnell Kohle bildet, um die Öffnung zu verstopfen. Jedoch
sind es der zeitliche Ablauf der Kohlebildung und die unvorhersagbare
Leistung des Kohlestopfens, welche beim Anfangsbetrieb eine Maschineninstabilität verursa chen
und zu einem vorzeitigen Verkoken der Brennstoffinjektorspitzen
führen
können.
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Der
luftgefüllte
Spalt bewirkt eine Maschineninstabilität, da die eingefangene Isolierluft
druckbeaufschlagt wird, wenn druckbeaufschlagter Brennstoff durch
die Brennstoffpassage injiziert wird. Die verdichtete Luft hat weniger
Volumen und ein Brennstoffvolumen besetzt den Bereich des Luftspalts,
aus dem die Luft zurückgetrieben
wurde. In der Folge ist das Gesamtvolumen das an die Injektorspitze
gelieferten Brennstoff geringer als das Volumen, weiches das Brennstoffsteuersystem
als geliefert angibt. Wenn die Brennstoffsteuerung den Brennstoffdruck verringert,
wird die Luft in dem Spalt entspannt und der eingefangene Brennstoff
in dem Spalt entkommt, um den Brennstoffinjektoren zugeführt zu werden.
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Das
Entfernen eines Brennstoffvolumens bei der Brennstoffdruckzunahme
und die anschließende Lieferung
von Brennstoff, wenn der Brennstoffdruck abnimmt, sind die Ursache
für Maschineninstabilität, wenn
derartige Luftspalte in Verbindung mit einem Brennstoffinjektorhitzeschild
verwendet werden, insbesondere beim Anfangsbetrieb der Maschine
bei niedrigen Leistungszuständen.
Wenn die Maschine für
eine ausreichende Zeitdauer in Betrieb war, hat sich schließlich etwas
von dem in dem Luftspalt gefangenen Brennstoff infolge der Temperaturen
des umgebenden Brennstoffstabs zersetzt. Kohleablagerungen bilden
sich, um den Spalt zu verstopfen, und behindern die Bewegung von
Luft und Brennstoff. Jedoch verursacht während des Anfangsbetriebs der Maschine
das Geräusch
und der Fehlbetrieb der Maschine vor der Kohlebildung Bedenken bei
den Käufern
und die Maschinen werden häufig
ohne Notwendigkeit dem Hersteller zurückgegeben, um die Ursache dieser
Instabilität
zu untersuchen.
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Die
unkontrollierte Kohlebildung und die unkontrollierte Brennstoff/Luftgrenzfläche in dem Luftspalt
können
weitere Brennstoffsystemprobleme verursachen. Unkontrollierte Kohlebildung
in einem begrenzten Bereich kombiniert mit dem Einströmen und
Ausströmen
von Brennstoff in den Spalt können Kohle
verlagern und bewirken, dass sich Kohleansammlungen von dem Spalt
zu der Brennstoffinjektorspitze und den Sprühdüsen bewegen. Eine derartige
Bewegung von Kohleteilchen kann zu einer vorzeitigen Bildung von
Kohle in der Injektorspitze und Verstopfen von Brennstoffsprühdüsen führen.
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Wenn
man erlaubt, dass sich Kohle in einer unkontrollierten und ungemessenen
Weise in dem Spalt bildet, kann es sein, dass die Kohle nicht fest
an den Spaltwänden
anhaftet oder der Brennstoff sich nur zum Teil zersetzt, was zu
einer unerwünschten Bewegung
von Kohleteilchen von dem Spalt zu anderen Brennstoffsystembauteilen
strömungsabwärts führt.
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Die
unkontrollierte Brennstoff/Luftgrenzfläche erzeugt flüchtiges
Gas in dem Isolierspalt, wenn hohe Maschinentemperaturen ein Verdampfen
des Brennstoffs bewirken. Das flüchtige
Gas kann sich zersetzen und Kohle bilden, jedoch ist das endgültige Ergebnis
unklar, da die Maschinenbetriebstemperaturen variieren können. Jedoch
ist die Anwesenheit eines flüchtigen
Gases eingeschlossen in einer erwärmten Umgebung unerwünscht, insbesondere
weil dieses Gas nichts dazu beiträgt, die Maschinenleistung zu
erhöhen.
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In
manchen Situationen ist es das Beste, lediglich die Verwendung von
luftgefüllten
Isolierspalten in Brennstoffinjektoren auszusetzen, beispielsweise
bei neu hergestellten Maschinen. Infolge der fortgesetzten Verwendung
derartiger Hitzeschilde in existierenden Maschinen überwiegen
die Nachteile der Verwendung die Kosten für den Austausch oder eine Neukonstruktion
nicht und die vorangehend beschriebenen Schwierigkeiten wirken fort.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, Maschineninstabilität zu verhindern und die Brennstoff/Luftgrenzfläche zu kontrollieren,
wo die Verwendung luftgefüllter Spalte
beibehalten ist.
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Weitere
Ziele der Erfindung werden aus der Durchsicht der Offenbarung der
Beschreibung der Erfindung nachfolgend ersichtlich.
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Beschreibung
der Erfindung
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Gemäß Anspruch
1 der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Behandeln eines
länglichen
Brennstoffinjektors bereitgestellt, um eine Instabilität während des
Betriebs einer Gasturbinenmaschine zu verhindern, die den Brennstoffinjektor
inkorporiert. Bei einer beschriebenen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren
das Vor-Behandeln des Brennstoffinjektors, um eine Ausscheidung,
beispielsweise Kohle in dem Isolierluftspalt in einer kontrollierten
und vorhersagbaren Weise vor der Installation in der Maschine zu
bilden. Auf diese Weise ist der Niederschlag beim anfänglichen
Maschinenbetrieb vorhanden und behindert das Strömen von Luft und Brennstoff
in dem Spalt und verringert so substantiell Maschineninstabilität oder eliminiert
diese.
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Das
Verfahren beinhaltet das Füllen
eines ringförmigen
Bereichs des Spalts mit einer ausgewählten Flüssigkeit, beispielsweise Kohlenwasserstoffbrennstoff
und dann Härten
der Flüssigkeit,
um einen Niederschlag, beispielsweise Kohle, zu bilden, der bei
Temperaturen in einem Betriebsbereich für den Injektorstab physikalisch
und chemisch stabil bleibt und der eine wärmeinduzierte Relativbewegung
zwischen dem Hitzeschild und der Brennstoffpassage erlaubt.
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Der
Brennstoff kann durch Einbringen des Brennstoffinjektorstabs in
einen Ofen oder durch Induktionserwärmen des Brennstoffinjektorstabs
erwärmt
werden. Vorzugsweise wird die Brennstoffpassage durch eine kontinuierliche
Strömung
von kühler trockener
Luft während
des Erwärmens
des Brennstoffs gespült.
Um Kohle zu bilden, wird der Brennstoff auf eine Temperatur im Bereich
von 150°C
bis 750°C
für eine
Zeitdauer im Bereich von 20 bis 120 Minuten erwärmt.
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Weitere
Details der Erfindung und deren Vorteile werden aus der nachfolgend
gegebenen detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Zum
leichteren Verständnis
der Erfindung wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nur
beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
für die
gilt:
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1 ist
eine Längsschnittansicht
durch einen konventionellen Brennstoffinjektor, der in einer Gasturbinenmaschine
verwendet wird und eine Injektorspitze an dem Abgabeende und einen
länglichen Stab
mit einem in der Brennstoffpassage angeordneten und nach innen von
der Brennstoffpassage beabstandeten rohrförmigen internen Hitzeschild
aufweist und so einen länglichen,
ringförmigen,
luftgefüllten Wärmeisolierspalt
zwischen der Brennstoffpassage und dem rohrförmigen Hitzeschild definiert.
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2 ist
eine detaillierte Ansicht des Endes des rohrförmigen internen Hitzeschilds,
welches den außenseitigen,
luftgefüllten
Spalt zeigt, der als ein Wärmeisolator
zum Isolieren des relativ kühlen Brennstoffs
dient, der durch das interne Hitzeschild von dem Brennstoffinjektorstab
strömt.
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3 ist
eine Darstellung des gleichen Schnitts des Brennstoffinjektorstabs,
welche die Mittel zeigt, mittels denen Kohle an den Innenoberflächen des
luftgefüllten
Spalts gebildet wird, wenn Brennstoff unter Druck durch die Brennstoffpassage injiziert
wird.
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4 zeigt
einen ersten Schritt bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung,
bei dem der ringförmige
Spalt mit einer Flüssigkeit,
beispielsweise einem Kohlenwasserstoffbrennstoff, gefüllt wird,
bevor die Flüssigkeit
gehärtet wird,
um einen Niederschlag zu bilden, der physikalisch die Bewegung von
Brennstoff und Luft in dem Spalt stört.
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5 zeigt
einen fertigen Brennstoffinjektorstab, der gemäß dem Verfahren der Erfindung
behandelt wurde, wobei der luftgefüllte Spalt einen porösen, soliden
Niederschlag, beispielsweise Kohle, aufweist, um physikalisch das
Fließen
von Brennstoff in den Spalt zu behindern und eine wärmeinduzierte Bewegung
zwischen dem Hitzeschild und der Brennstoffpassage erlaubt und dabei
die wärmeisolierende Funktion
beibehält.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt
eine Längsschnittansicht
durch einen konventionellen Brennstoffinjektor, mit dem Brennstoff
zu der Injektorspitze geführt
wird und in die Brennkammereinrichtung der Maschine gesprüht wird.
Die Gasturbinenmaschine weist mehrere längliche Brennstoffinjektoren
auf, wobei jeder einen Injektorstab 1 mit einer internen
Brennstoffpassage 2 hat, welche von einem Maschinenbefestigungsende 3 zu einer
Injektorspitze 4 an dem Abgabeende 5 verläuft.
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Der
Injektorstab 1 weist ein rohrförmiges, internes Hitzeschild 6 auf,
welches in der Brennstoffpassage 2 angeordnet ist. Das
Hitzeschild 6 ist an der Brennstoffpassage, beispielsweise
durch Hartlöten,
dem Befestigungsende 3 benachbart befestigt und ist nach
innen von der Brennstoffpassage 2 beabstandet und definiert
so einen länglichen,
ringförmigen,
wärmeisolierenden
Spalt 7 zwischen der Brennstoffpassage und den Hitzeschild 6.
Der isolierende Spalt 7 wird verwendet, um den relativ
heißen Injektorstab 1,
der in einem Strom heißer,
verdichteter Luft in der Maschine angeordnet ist, und den relativ
kühlen
Brennstoff, der durch das Hitzeschild 6 und die Brennstoffpassage 2 in
einen Sammelraum 8 in einer strömungsabwärtigen Richtung, wie in 1 gezeichnet,
geleitet wird, thermisch zu isolieren.
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Der
druckbeaufschlagte Brennstoff von dem Sammelraum 8 wird
in einem Sprühstrahl
durch das Abgabeende 5 in den Maschinenbrennkammerbereich
(nicht gezeigt) als zerstäubte
Tröpfchen
gut vermischt mit verdichteter Luft, welche durch die zentrale Leitung 9 und Öffnungen 10 strömt, injiziert.
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Wie
in der 2 gezeigt, ist der luftgefüllte Spalt 7 an dem
inwärtigen
Ende des Hitzeschilds 6 zu der Brennstoffpassage 2 offen.
Das inwärtige
Ende 11 des Hitzeschilds 6 muss zu der Brennstoffpassage 2 an
einem Ende frei bleiben, um eine wärmeinduzierte Bewegung zwischen
dem Hitzeschild 6 und der Brennstoffpassage 2 zu
erlauben.
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Wie
in der 3 gezeigt, erlaubt der offene Raum an dem inwärtigen Ende 11 des
Hitzeschilds 6, Brennstoff 12 in den luftgefüllten Spalt 7 zwischen dem
Hitzeschild 6 und der Brennstoffpassage 2 einzudringen,
wenn Brennstoff 12 unter Druck durch die Brennstoffpassage 2 injiziert
wird. Abhängig
von dem Brennstoffdruck, der durch das Maschinenbrennstoffsteuersystem
kontrolliert wird, kann das Niveau, auf welches der Brennstoff ansteigt,
wie in der 3 durch die Dimension „h" gezeigt, variieren.
Die Luft in dem Spalt 7 wird komprimiert und entspannt
sich abhängig
von dem Brennstoffdruck.
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Als
eine Folge des Temperaturgradienten in dem Spalt 7 wird
Brennstoff in dem Spalt auf eine Temperatur erwärmt, bei der sich der Brennstoff
zersetzt und einen massiven Kohleniederschlag 13 an den
benachbarten Wänden
der Brennstoffpassage 2 des Hitzeschilds 6 bildet.
Jedoch ist, wenn das wie beim Stand der Technik unkontrolliert ist,
das exakte Ausmaß,
in dem sich Kohle 13 bildet, wenn sie denn gebildet wird,
oder ob sie sich bildet, und das Maß in dem sie an den benachbarten
Oberflächen
des Spalts 7 anhaftet, unkontrolliert und im Wesentlichen unbekannt.
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Das
einfache Verkoken des Spalts 7 des Stands der Technik während des
Anfangsbetriebs der Maschine hat unvorhersagbare Ergebnisse. Kohleniederschlag 13 kann
lose anhaftende Teilchen bilden, die durch Einwärts- und Auswärtsbewegung
des Brennstoffs in den Spalt 7 verlagert werden können. In
der Folge können
Kohleteilchen von dem Bildungsbereich in die Öffnungen 14 der Injektorspitze 4 weggespült werden.
Außerdem
kann es sein, dass sich der Bereich, in dem sich Kohle bildet (als „h" in der 3 angezeigt)
nicht über
eine ausreichende Strecke erstreckt, um das Einwärts- und Auswärtsströmen des
Brennstoffs substantiell zu behindern.
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Folglich
liefert die Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer vollständigen Kohleeinströmbarriere 15,
wie in 5 angezeigt. Die Kohle wird auf eine Weise gebildet,
die reproduzierbar ist, vorhersagbar ist und optimiert werden kann,
um zu den Erfordernissen einer jeden Injektor- oder Maschinenkonstruktion zu
passen.
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Es
wird auf die 4 Bezug genommen. Das Verfahren
gemäß der Erfindung
weist anfängliches
Füllen
eines Ringbereichs 16 des Spalts 7 mit einem ausgewählten Fluid,
beispielsweise Kohlenwasserstoffbrennstoff, auf. Zum Füllen des
vollständigen
Spalts 7 kann es erforderlich sein, den Injektorstab 1 vollständig in
Brennstoff in einer umgedrehten Position einzutauchen, um es Luft
in dem Spalt zu erlauben, zu entkommen, oder alternativ können Ablasspassagen
in dem Maschinenbefestigungsende 3 gebildet sein, um in
dem Spalt 7 gefangene Luft abzulassen, wenn der Spalt 7 mit
Brennstoff gefüllt
wird.
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Der
nächste
Schritt in dem Verfahren ist das Härten der Flüssigkeit, um einen Niederschlag
zu bilden, der physikalisch und chemisch bei Temperaturen in dem
Betriebsbereich für
den Injektorstab 1 stabil bleibt. Verschiedene niederschlagsbildende
Flüssigkeiten
sind dem Fachmann bekannt und es ist nicht nötig, die Erfindung auf irgendeine
spezielle Flüssigkeit
zu beschränken.
Jedoch ist Kohlenwasserstoffbrennstoff bevorzugt, da Brennstoff
mit Wärme
härtet,
um einen Kohleniederschlag zu bilden. Kohle ist komplett kompatibel
mit dem Injektor und dem Kohlenwasserstoffbrennstoff. Der Niederschlag muss
auch eine thermisch induzierte Bewegung zwischen dem Hitzeschild 6 und
der Brennstoffpassage 2 erlauben.
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Von
der Kohle ist bekannt, dass sie stabil ist, sobald sie bei Temperaturen
in dem Betriebsbereich des Injektorstabs gebildet wird, und die
poröse
Natur der Kohle erlaubt eine Relativbewegung, während sie dazu dient, ein freies
Strömen
von Brennstoff in den Isolierstab 7 zu behindern.
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Sobald
der Brennstoff oder jegliche andere ausgewählte Flüssigkeit in dem Spalt 7,
wie in der 4 angegeben, angeordnet ist,
wird der Brennstoff erwärmt,
indem man den kompletten Brennstoffinjektorstab in einen Ofen bringt,
oder durch Induktionserwärmen
des Brennstoffinjektorstabs durch bekannte Verfahren. Um eine Kohlebildung
an den Innenoberflächen
der nicht abgeschirmten Bereiche der Brennstoffpassage 2,
der internen Passage des Hitzeschilds 6 oder irgendwelcher
anderer Brennstoff leitender Komponenten der Injektorspitze 4 zu
verhindern, wird die Brennstoffpassage 2 von Brennstoff freigespült, während der
Brennstoff erwärmt
wird. Ein konventionelles Mittel zum Spülen ist es, einen kontinuierlichen
Strom aus kühler
trockener Luft während des
Erwärmens
des Brennstoffs in den Spalt 7 zu fördern.
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Um
Kohle zu bilden, muss der Brennstoff auf unterhalb seiner Verbrennungstemperatur
erwärmt werden,
und deshalb sollte der Brennstoff auf eine Temperatur im Bereich
von 100°C
bis 150°C
erwärmt werden.
Um den Brennstoff vollständig
zu zersetzen und eine optimale Menge an Kohle zu bilden, sollte die
Zeitdauer, während
der der Brennstoff erwärmt wird, über eine
Dauer im Bereich von 20 bis 120 Minuten gehen.
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Zum
Bestimmen der Menge an in dem Spalt 7 abgeschiedener Niederschläge können verschiedene
Arten zersötrungsfreien
Testens verwendet werden. Das einfachste Verfahren ist es, das Gewicht des
Brennstoffinjektors vor und nach dem Füllen mit Brennstoff und dem
Erwärmen
zu vergleichen. Jedoch verschleiert nicht reagierter flüssiger Brennstoff tendenziell
die Ergebnisse, wenn die Ofenhitze oder die Zeitdauer nicht adäquat waren,
um sämtlichen Brennstoff
zu Kohle zu härten.
Eine Röntgenstrahluntersuchung
oder Ultraschall-Bildgebungsverfahren können auch verwendet werden,
um das Maß der Kohlebildung
zu bestimmen.
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Auf
diese Weise kann die Kohlebildung zum Behindern von Brennstoffströmung in
einem luftgefüllten
Spalt 7 durch eine abgewogene Steuerung des gesamten Prozesses
vor der Installation in die Gasturbinenmaschine, einschließlich der
Qualitätskontrolle
und der Inspektion nach dem Abschließen des Härtens gesteuert und optimiert
werden.
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Obwohl
die vorangehende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen eine
spezielle bevorzugte Ausführungsform,
so wie sie momentan von dem Erfinder angedacht wird, betrifft, wird
man verstehen, dass die Erfindung in ihrem breiten Aspekt mechanische
und funktionelle Äquivalente
der beschriebenen und gezeigten Elemente einschließt.