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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer mit Starterfilm
zur Kühlung der Brennkammerwand gemäß den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die
Brennkammer stellt die Wandung eines Raumes dar, in dem Brennstoff
mit der vom Verdichter komprimierten Luft verbrannt wird, bevor
diese in der Turbine entspannt wird und dabei Arbeit leistet. Da
die Gastemperaturen in der Brennkammer üblicherweise oberhalb
der Schmelztemperatur des Wandungsmaterials liegen, muss diese Wandung
gekühlt werden. Zur Erreichung einer langen Lebensdauer
müssen weit niedrigere Temperaturlimits eingehalten werden.
Die Brennkammer kann zum Beispiel mit Kühlringen (
US 4,566,280 ), Effusionsbohrungen
(
US 5,181,379 ), bestifteten
Schindeln (
EP 1 098
141 A ) oder prall- und effusionsgekühlten Schindeln
(
US 5,435,139 ) ausgestattet
sein.
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Unabhängig
von der Kühlmethode besteht das Problem, die Wand stromauf
des ersten Kühllufteinlasses zu schützen, da eine
rückseitige Kühlung alleine nicht ausreicht, um
unterhalb des jeweiligen Temperaturlimits zu bleiben. Daher wird üblicherweise
am Anfang der Brennkammerwand ein sog. Starterfilm aufgebracht.
Dieser Starterfilm schützt die Wand, bis die eigentliche
Kühlmethode für die Brennkammerwand genügend
Wirkung zeigt. Die Luft für diesen Starterfilm kann von
innerhalb eines von einer Abdeckung und einer Grundplatte gebildeten
Raumes oder aus einem Annulus zwischen einer Brennkammerwand und
einem Brennkammergehäuse kommen. Die Durchströmöffnungen
durch die Brennkammerwand sind meistens kreisrunde, regelmäßig verteilte,
senkrecht zur Oberfläche stehende Bohrungen. Der Starterfilm
wird hauptsächlich parallel zur Brennkammerwand an dieser
entlang eingeblasen. Der Spalt, aus dem der gleichförmig
am Umfang verteilte Kühlfilm austritt, wird durch einen
Kühlring gebildet. Ein solcher Starterfilm für
eine effusionsgekühlte Wand ist in der
US 5,279,127 dargestellt.
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In
einer anderen Bauart wird die Luft nur auf einer Seite durch ein
zur Brennkammerwand gehörendes Bauelement geführt,
auf der anderen Seite von einer Strömungsfläche
eines Hitzeschildes. Zwischen dem Hitzeschild und dem Anfangsteil der Brennkammerwand
wird der Starterfilm ausgeblasen (siehe
1), um diesen
Teil der Brennkammer vor den heißen Gasen der Verbrennung
zu schützen. Dies geschieht üblicherweise durch
eine Anzahl an kreisrunden Bohrungen auf einem bestimmten Teilkreis.
Zur Vergleichmäßigung der einzelnen Strahlen zu
einem Kühlfilm wird die Luft zuerst auf die Rückseite
des Hitzeschildes geblasen. Beim Aufprall der Strahlen kühlen
diese das Hitzschild und vereinigen sich zu einem homogenen Film,
der dann in einem bestimmten Abstand parallel der Brennkammerwand strömt.
Die Größe der Bohrungen, deren Abstand auf einem
Teilkreis oder die Anzahl der Teilkreise wird hierbei der lokal
notwendigen Kühlleistung angepasst. Ein solcher Starterfilm
ist aus
DE 102 14
573 A1 bekannt.
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Zur
Erhöhung der Stabilität des Hitzeschildes und
zur Verstärkung der Kühlwirkung auf dem Hitzeschild,
können auf dem Teil des Hitzeschildes, der die Luft für
den Starterfilm führt, Rippen aufgebracht sein, wie z.
B. aus
DE 44 27 222
A1 oder
DE 195
08 111 A1 bekannt. Die dort gezeigten Rippen ragen nicht
radial über die Lippe des Hitzeschildes hinaus. Insbesondere
bei Effusionskühlung der Wand, die einwandig oder mit zusätzlich
prallgekühlten Schindeln ausgeführt sein kann,
wird von der durch die Wand bzw. die Schindel strömenden
Luft erst eine gewisse Strecke stromab ein schützender
Kühlfilm aufgebaut. Ohne einen Starterfilm wäre
der Anfangsteil der Wand nicht genügend geschützt.
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In
der
US 3,420,058 wird
durch Verformung der abgestuften Brennkammerwand mit Hilfe eines Werkzeuges
nach dem Erzeugen der Kühlluftbohrungen die Richtung der
Kühlluft so verändert, dass sie in Richtung der
stromabliegenden Brennkammerwand geblasen wird. Hierbei können
die Kühlluftbohrungen rein axial oder auch mit einer Umfangskomponente
ausgeführt sein. Ein vorteilhafter Winkelbereich wird allerdings
nicht genannt. Im Übrigen beschreibt diese US-Schrift nicht
die Starterfilmausbildung, sondern die Kühlung der Brennkammerwand selbst.
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In
der
EP 0 434 361 B1 wird
ein Kühlfilm in einer Stufe in der Brennkammerwand dadurch
erzeugt, dass radial zugeführte Luft auf eine Platte prallt,
dabei um im wesentlichen 90 Grad ungelenkt wird und als Film im
wesentlichen parallel zur Brennkammerwand ausgeblasen wird. Je nach
Strömungsrichtung der Flamme bzw. der Abgase in der Brennkammer
wird die Kühlluft hierzu durch eine Art Rippen oder Schaufeln
entsprechend tangential zu diesen Heißgases ausgerichtet.
Gemäß dieser Druckschrift wird die Kühlluft
somit radial eingeblasen und um 90 Grad umgelenkt. Zusätzlich
wird ihr eine Umfangskomponente auferlegt, so dass die Strömung sehr
stark verlangsamt wird. Auch bei dieser Druckschrift wird im Übrigen
nur die Wandkühlung beschrieben, nicht jedoch die Starterfilmausbildung.
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Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird der
Starterfilm durch eine Vergleichmäßigung einer
durch viele einzelnen Bohrungen gebildeten Strömung mittels
Aufprallen und Umlenken in einem Kühlring (
US 5,279,127 ) oder am Hitzeschild
(
DE 102 14 573 A1 )
gebildet.
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Bei
dieser Art der Vergleichmäßigung verliert der
Starterfilm gewollt einen Großteil seiner Geschwindigkeit,
genauer seines Impulses. Da allerdings die Abströmung eines
Brenners keine solche Verzögerung erfährt, hat
die aus dem Brenner abströmende Luft einen größeren
Impuls als die Starterfilmluft und kann diese an der Brennkammerwand
seitlich in die Bereiche zwischen den Brennern verdrängen.
Die sich stromab des Brenners stabilisierende Flamme brennt somit
sehr nahe an der Brennkammerwand. Durch die starke Umlenkung auf
der Rückseite des Hitzeschildes bzw. innerhalb des Kühlringes
werden Längswirbel erzeugt, die zu einer schnellen Einmischung
von Heißgas in den Starterfilm führen. Somit wird
sich dessen Temperatur schnell erhöhen, also die Schutzwirkung
entsprechend nachlassen.
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Desweiteren
sammelt sich die Starterfilmluft in dem Bereich zwischen den Brennern.
Der Wärmeeintrag in die Brennkammerwand steigt somit räumlich
periodisch mit jedem Brenner an und fällt in den Zwischenräumen
wieder ab, wodurch zwangsläufig eine Temperaturvariation
in Umfangsrichtung in der Brennkammerwand entsteht. Außerdem
darf auch an der Stelle der höchsten Belastung der Brennkammerwand
das Temperaturlimit des Materials nicht überschritten werden.
Somit wird die notwendige Luftmenge des Starterfilms von der höchstbelasteten Stelle
am Umfang bestimmt. Die Folge ist eine unnötig starke Kühlung
der Brennkammerwand im Bereich zwischen den Brennern durch kalte
Strähnen von Luft, die für die heiße
Brennkammerwand auf der Brennerachse gedacht war. Durch die unangepasste Kühlung
entsteht eine deutliche Temperaturschwankung der Brennkammerwand
in Umfangsrichtung mit der Folge der Erzeugung starker mechanischer Spannungen
in der Brennkammerwand. Diese Spannungen führen zu einer
deutlich verminderten Lebensdauer der Brennkammerwand.
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Die
kurzen Rippen wie z. B. aus
DE
4427222 A1 oder
DE
19508111 A2 , lassen einen nennenswerten radialen Spalt
zur Brennkammerwand, in dem sich Ausgleichsströmungen in
Umfangsrichtung ausbilden können, die zu einer Verschiebung
der durch die Starterfilmbohrungen vorgesehenen Massenstromverteilung
führen. Somit ist nicht mehr durch die Konstruktion alleine,
sondern auch durch das Strömungsfeld bestimmt, wie viel
Starterfilmluft an welcher Umfangsposition austritt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenbrennkammer
mit Starterfilm zur Kühlung der Brennkammerwand der eingangs
genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger
Herstellbarkeit eine zuverlässige Starterfilmausbildung
und eine optimierte Temperaturverteilung sicherstellt.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die
Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist
somit vorgesehen, dass die Mittelachsen der Öffnungen zur
Durchführung der Kühlluft in einem flachen Winkel
zur Brennkammerwand geneigt ausgebildet sind.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht einer Gasturbinenbrennkammer gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
schematische Darstellung, gemäß Detail A von 1,
eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
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3 eine
Darstellung, analog 2, eines weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels,
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4 eine
radiale Ansicht in rein axialer Ausrichtung gemäß Ansicht
B-B von 2,
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5 eine
radiale Ansicht mit Winkel in Umfangrichtung, gemäß Ansicht
C-C von 3,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel, analog den 2 und 3,
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel, analog den 2 und 3,
und
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8 eine
weitere Ausführungsvariante, analog der Darstellung der 4 und 5.
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Die
Luft, welche für die Bildung des Starterfilms vorgesehen
ist, wird erfindungsgemäß nach Durchströmen
der engsten Stelle, also der Öffnung 6 in der
Grundplatte 2, in welcher sie auf die dem Druckabfall entsprechende
Geschwindigkeit beschleunigt wurde, nicht mehr stark umgelenkt.
Diese schwache Umlenkung wird erfindungsgemäß durch die
Existenz eines Schnittpunktes zwischen der Mittelachse 17 der
Starterfilmöffnung 6 und der Brennkammerwand 4 (2 und 3)
und durch einen Winkel α kleiner 30 Grad beschrieben. Die
stärkste Umlenkung muss auf dem Bauteil erfolgen, auf dem die
größte Filmkühlwirkung erzeugt werden
soll, also der Heißseite der Brennkammerwandung 4,
wo die auf die Wand zuströmende Luft wandparallel umgelenkt
wird.
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Die
Strömung kommt in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
vor Erreichen der Heißseite der Brennkammerwand 4 mit
einer anderen Oberfläche in Kontakt, siehe 2,
zum Beispiel der Rückseite des Hitzeschildes 5 oder
innerhalb des Startfilmbildenden Kühlringes. Dort ist der
Winkel der Umlenkung β bevorzugt kleiner oder maximal gleich
der Umlenkung auf der Brennkammerwand 4, welche durch den
Winkel α beschrieben wird. Dieser Umlenkwinkel β wird
gemessen als Winkel zwischen der Mittelachse 17 des Strahls
einer Starterfilmöffnung 6 zur Oberfläche
des Bauteils 5 an dem Punkt, an dem die Projektion der
Starterfilmöffnung 6 dieses Bauteil 5 trifft.
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Desweiteren
ist bevorzugt der Drehsinn der beiden Umlenkungen, also auf dem
Hitzeschild 5 und auf der Heißseite der Brennkammerwand 4,
entgegengerichtet. Der Winkel der Umlenkung des Starterfilmstrahls
auf der Brennkammerwand (gemessen als der Winkel zwischen der Mittelachse 17 der
Starterfilmöffnung 6 und der heißseitigen
Oberfläche der Brennkammerwand 4) soll erfindungsgemäß 30
Grad nicht überschreiten, und wird bevorzugt auf unter
20 Grad beschränkt, in günstiger Ausgestaltung
sind 5–15 Grad vorgesehen.
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Als
Variante der Erfindung berührt die Projektion der Wand
der Starterfilmöffnung in Richtung Brennkammerwand 4 das
Hitzeschild 5 nur in einem Punkt, oder die Projektion verläuft
als Tangente zur Hitzeschildkontur. In beiden Fällen entsteht
kein echter Schnittpunkt der Projektion mit der Hitzeschildkontur
(siehe 3), so dass dort im eigentlichen Sinne keine Umlenkung
stattfindet. Der Winkel α der Umlenkung des Starterfilms 3 auf
der Brennkammerwand 4 (gemessen als der Winkel zwischen
der Achse der Starterfilmöffnung 6 und der heißseitigen Oberfläche
der Brennkammerwand 4) soll erfindungsgemäß 30
Grad nicht überschreiten, und wird bevorzugt auf unter
20 Grad beschränkt, in günstiger Ausgestaltung
sind 5–15 Grad vorgesehen.
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Auf
dem Teil des Hitzeschildes 5, auf dem die Luft für
den Starterfilm 3 geführt wird, sind in vorteilhafter
Weiterbildung der Erfindung Rippen 14 vorgesehen, welche
sich im Wesentlichen an der vorgesehenen Strömungsrichtung
ausrichten und radial über die Starterfilmlippe nach innen
und außen hinausreichen, siehe 2 und 3,
sowie 4, 5, 6 und 7.
Die Strömungsrichtung wird von der Projektionsrichtung
der Starterfilmöffnungen 6 in Richtung Brennkammerwand 4 vorgegeben.
Und daher lenken die Rippen die Luft in Umfangsrichtung nicht wesentlich
um.
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Zur
weiteren Erhöhung der Kühlwirkung werden die Öffnungen 6,
welche den engsten Querschnitt bilden, nicht nur in radialer Richtung,
sondern auch in Umfangsrichtung angestellt, siehe 5.
Der Winkel γ zwischen der axialen Richtung des Triebwerkes
und der Achse der Öffnung ist erfindungsgemäß kleiner
60 Grad, vorzugsweise 30–45 Grad. Zur Unterstützung
dieser Umfangskomponente sind die Rippen 14 auf dem Teil
des Hitzeschildes 5 angeordnet, welcher die Luft für
den Starterfilm führt. Diese lenken allerdings die Luft
erfindungsgemäß nicht in Umfangrichtung um, sondern
die Umfangskomponente wird im Wesentlichen durch die Kühlungsöffnungen 6 erzeugt
und durch die Rippen 14 nur bewahrt.
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Die
Rippen können sowohl auf der kalten Seite des Hitzeschildes
(2 und 3) als auch auf der stromabliegenden
Seite der Grundplatte 2, siehe 6, oder
der Innenseite der Brennkammerwand 4 platziert sein. Die
Rippen können mit dem Hitzeschild 5, bzw. der
Grundplatte 2 oder Wand 4 als ein integrales Bauteil
oder form- oder reibschlüssig miteinander verbunden sein.
Da die Rippen 14 keine Umlenkung der Strömung
erzeugen müssen, treten keine größeren
Krafte auf, sodaß sie auch als loses Bauteil zwischen Hitzeschild 5 und
Grundplatte 2 sowie Brennkammerwand 4 platziert
werden können, sofern durch ein geeignetes Verbindungselement zwischen
den einzelnen Rippen 14 wie zum Beispiele ein eingelöteter
Draht, siehe 7, die Richtung und der Abstand
der Rippen 14 entsprechend der Anforderungen eingestellt
wird.
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In
günstiger Ausgestaltung der Erfindung können die
Starterfilmöffnungen 6 variieren, einzeln oder
in Gruppen, in der Größe ihres Umfangswinkels γ,
siehe 8, dann vermitteln die Rippen durch eine Dickenvariation
in Strömungsrichtung zwischen diesen beiden Richtungen.
Zeigen die Starterfilmöffnungen von einander weg, werden
die Rippen 14 in Strömungsrichtung dicker bzw.
zeigen die Starterfilmöffnungen aufeinander zu, werden
die Rippen 14 in Strömungsrichtung dünner.
Auch hierbei bleibt erfindungsgemäß der Grundsatz
erhalten, dass nicht die Rippen 14 die Richtung der Strömung
bestimmen, sondern diese durch die Richtung der Starterfilmöffnungen 6 vorgegeben
und durch die Rippen im Wesentlichen nur erhalten wird.
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Erfindungsgemäß kann
von der direkten Relation von Starterfilmöffnungen 3 und
Rippen 14 abgewichen werden, um die Kühlung der
Brennkammerwand weiter zu verbessern oder um Fertigungskosten bzw.
Gewicht zu sparen, siehe 8. So können einzelnen
oder mehrere Rippen 14 zwischen zwei Starterfilmöffnungen
weggelassen werden.
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Die
Geschwindigkeit der Starterfilmluft 3 wird nahe der maximalen
Geschwindigkeit an der Öffnung 6 in der Brennkammerwandung
gehalten. Der auf der Heißseite der Brennkammerwand 4 entstehende Kühlfilm
behält seinen hohen Impuls bei und kann die Flamme des
Brenners von der Wandung 4 wegdrängen. Außerdem
werden durch die Limitierung des Umlenkungswinkels nur in geringem
Umfang Längswirbel erzeugt, was zu einer drastisch verminderten Vermischung
von Heißgas und Starterfilmluft führt.
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Falls
zwei Umlenkungen stattfinden, aber ihr Drehsinn entgegengesetzt
ist, dann drehen auch die entstehenden Längswirbel entgegengesetzt
und können sich idealerweise auslöschen, aber
nicht verstärken.
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Durch
die zusätzliche Geschwindigkeit des Kühlfilms
in Umfangrichtung wird der Unterschied in der Strömungsrichtung
zwischen Starterfilm und Abströmung aus dem Brenner bzw.
der Strömungsrichtung in der Flamme vermindert, wodurch
sich wiederum eine Verkleinerung der Vermischung von Flamme und
Starterfilm ergibt.
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Durch
die nahe an die Wandung 4 heranreichenden Rippen 14 werden
Ausgleichsströmungen hinter dem Hitzeschild 5 in
Umfangrichtung verhindert und es kann die an einer bestimmten Umfangsposition
ausgebrachte Luftmenge genau der dort zur Kühlung notwendigen
Menge angenähert werden. Die Starterfilmluft strömt
im Bereich der höchsten Wandwärmebelastung über
die Wand und stellt durch die sehr geringe Vermischung mit dem Heißgas über
eine große Lauflänge eine niedrige Wandtemperatur
auf der Brennerachse sicher. Da keine Starterfilmluft 3 von
der Brennerachse verdrängt wird, entstehen keine kalten
Luftsträhnen und keine überkühlten Streifen
zwischen den Brennern. Es sinkt der Temperaturgradient in Umfangsrichtung
und damit die thermisch induzierte Spannung in der Brennkammerwand
drastisch ab, somit wird die Lebensdauer bei gegebener Temperatur
für ein bestimmtes Material erhöht. Somit kann
aber auch die Betriebstemperatur eines Bauteils bei gleicher Lebensdauer
und vorgegebenen Material erhöht werden oder es kann auf
ein schwächeres und preiswerteres Material bei gleicher
Temperatur und Lebensdauer ausgewichen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abdeckung
des Brennkammerkopfes
- 2
- Grundplatte
- 3
- Starterfilm,
Starterfilmöffnung, Kühlluftströmung
- 4
- Brennkammerwand
- 5
- Hitzeschild
mit Loch für Brenner
- 6
- Öffnung
der Grundplatte 2 (Starterfilmöffnung)
- 7
- Brenner
mit Brennerarm und Drallerzeuger
- 8
- Turbinenleitschaufel
- 9
- Leitschaufel
im Verdichterauslaß
- 10
- Brennkammeraußengehäuse
- 11
- Brennkammerinnengehäuse
- 12
- Wandkühlung
- 13
- Teilkreis
des Starterfilms
- 14
- Rippe
zwischen Hitzeschild 5 und Grundplatte 2
- 15
- Triebwerksachse
- 16
- Verbindungselement
zwischen den Rippen 14
- 17
- Mittelachse
der Öffnung 6
- α
- radialer
Winkel zwischen der Richtung der Starterfilmbohrung 6 und
der Brennkammerwand 4
- β
- radialer
Winkel zwischen der Richtung der Starterfilmöffnung 6 und
der Richtung der Oberfläche des Hitzeschildes 5
- γ
- Winkel
zwischen der Richtung der Starterfilmöffnung 6 und
der Triebwerksachse 15
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4566280 [0002]
- - US 5181379 [0002]
- - EP 1098141 A [0002]
- - US 5435139 [0002]
- - US 5279127 [0003, 0008]
- - DE 10214573 A1 [0004, 0008]
- - DE 4427222 A1 [0005, 0011]
- - DE 19508111 A1 [0005]
- - US 3420058 [0006]
- - EP 0434361 B1 [0007]
- - DE 19508111 A2 [0011]
