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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der
hierin offenbarte Gegenstand betrifft die Detektion eines Flammenrückschlags
einer Brennstoffdüse.
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Eine
Brennkammer einer Gasturbinenmaschine bzw. eines Gasturbinentriebwerks
weist eine darin definierte Verbrennungszone auf und enthält eine
oder mehrere Brennstoffdüsen,
die der Verbrennungszone brennbare Materialien zuführen. Die Brennstoffdüsen enthalten
Anordnungen mit einem oder mehreren Brennern, die jeweils darin
definierte Durchgänge
aufweisen, durch die die brennbaren Materialien, wie beispielsweise
Gemische aus Brennstoff und Luft, zu der Verbrennungszone hin verlaufen
bzw. strömen.
Wenn die brennbaren Materialien die hinteren Enden der Brenner erreichen, werden
sie gezündet,
und sie verbrennen. Allgemein tritt diese Verbrennung innerhalb
der primären
und sekundären
Rezirkulationszone der Verbrennungszone auf, und, obwohl die Temperaturen
in den Brennern relativ hohe erhöhte
Niveaus erreichen können, liegen
diese Temperaturen gewöhnlich
innerhalb festgelegter Temperaturparameter, damit der Brennerbetrieb
ohne wesentlichen Schaden ablaufen kann.
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Gelegentlich
treten jedoch Flammenrückschläge auf.
Während
der Flammenrückschläge findet
die Verbrennung der brennbaren Materialien abnormal nahe an oder
innerhalb der Brenner statt, und Temperaturen an den Brennern überschreiten
die festgelegten Temperaturparameter. Da die Brennerkomponenten
gewöhnlich
nicht dazu ausgelegt sind, derartigen Bedingungen zu widerstehen,
kann sich eine Beschädigung
an den Brennern und den Brennstoffdüsen ergeben. Diese Beschädigung kann
eine kostspielige Abschaltung der Gasturbinenmaschine, Reparaturen
und/oder einen Austausch der Brenner und der Brennstoffdüsen erforderlich
machen.
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Eine
Minderung der Gefahr eines Flammenrückschlags für irgendeine spezielle Brennstoffdüse oder
irgendeinen speziellen Brenner kann eine Auslegung der Brennstoffdüse mit einer
20%-igen Sicherheitsreserve
hinsichtlich der Brennerrohrgeschwindigkeit für gegebene Brennstoffe umfassen. Das
heißt,
jede spezielle Brennstoffdüse
wird zur Verwendung mit ausgewählten
Brennstoffen unter der Erwartung ausgelegt, dass während des
Gasturbinenbetriebs bestimmte Mengen dieser Brennstoffe zu den Brennstoffdüsen mit
bestimmten Geschwindigkeiten geliefert würden. Jedoch liegen mit der 20%-igen
Sicherheitsreserve verbundene Nachteile insofern vor, als die gegebenen
Brennstoffe zu einem späteren
Zeitpunkt ohne wenigstens ein intensives Testen und Gefahren von
Beschädigungen
nicht durch alternative Brennstoffe ersetzt werden können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist eine Brennkammer einer Turbinenmaschine
bzw. eines Turbinentriebwerks mit einer darin definierten Verbrennungszone
geschaffen, und sie enthält
eine Brennstoffdüse,
die zwei oder mehrere Brenner enthält, wobei jeder der Brenner
einen darin definierten Durchgang aufweist, durch den brennbaren
Materialien gestattet wird, sich zu der Verbrennungszone auszubreiten,
mehrere Sensoren, die in relativer Verbindung mit jedem der Brenner
angeordnet sind, um jeweils statische Drücke innerhalb des Durchgangs eines
jedes der Brenner zu erfassen und um jeweils entsprechend erfasste
statische Drucksignale auszugeben, und eine Steuerungseinrichtung,
die mit den Sensoren gekoppelt und für die Signale emp fangsbereit
ist und die konfiguriert ist, um anhand einer Analyse der Signale
festzustellen, ob irgendwelche(r) der Brenner mit einer Gefahr eines
Flammenrückschlags verbunden
sind, und um die Flammenrückschlaggefahr
entsprechend der Feststellung zu mindern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Brenner einer Brennstoffdüse einer Brennkammer
einer Turbinenmaschine bzw. eines Turbinentriebwerks mit einer darin
definierten Verbrennungszone geschaffen, und er enthält einen kreisringförmigen Mantel,
der an einem vorderen Ende der Brennkammer endet, einen Mittelkörper, der
im Innenraum des ringförmigen
Mantels angeordnet ist, um einen kreisringförmigen Durchgang zu definieren,
der sich zwischen dem ringförmigen
Mantel und dem Mittelkörper
erstreckt und durch den brennbare Materialien in Richtung auf die
Verbrennungszone verlaufen, und mehrere Sensoren, die in relativer Verbindung
mit dem Mantel angeordnet sind, um jeweils statische Drücke innerhalb
des Durchgangs zu erfassen und um jeweils entsprechend erfasste
statische Drucksignale zur Verwendung bei der Feststellung einer
Flammenrückschlaggefahr
und zur Verwendung bei der Minderung der Flammenrückschlaggefahr
auszugeben.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung
einer Brennstoffdüse
einer Turbinenmaschinen- bzw. Turbinentriebwerksbrennkammer, die
zwei oder mehrere Brenner enthält,
geschaffen, wobei das Verfahren enthält: Erfassen statischer Drücke innerhalb
eines in jedem der Brenner definierten Durchgangs, Analyse der statischen
Drücke,
um einen mittleren statischen Druck innerhalb des Durchgangs in
jedem der Brenner zu berechnen, Vergleichen der mittleren statischen
Drücke
miteinander, Feststellen anhand eines Ergebnisses des Vergleichs,
ob einer oder mehrere der Brenner mit einer Flammenrückschlaggefahr
verbunden ist, und Mindern der Flammenrückschlaggefahr, die entsprechend
der Feststellung mit dem einen oder den mehreren der Brenner verbunden
ist.
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Diese
und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung
in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der
als die Erfindung angesehene Gegenstand ist in den Ansprüchen am
Schluss der Beschreibung besonders angegeben und klar und deutlich
beansprucht. Die vorstehenden und sonstigen Merkmale und Vorteile
der Erfindung erschließen sich
aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten
Zeichnungen, in denen zeigen:
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1 eine
seitliche Schnittansicht einer Brennkammer einer Turbinenmaschine;
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2 eine
Perspektivansicht einer Brennstoffdüse der Brennkammer nach 1;
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3 eine
vergrößerte seitliche
Schnittansicht eines Brenners und eines statischen Drucksensors;
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4 eine
schematisierte Ansicht eines Brenners, der statische Drucksensoren
enthält;
und
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5 ein
Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffdüse veranschaulicht.
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Die
detaillierte Beschreibung erläutert
Ausführungsformen
der Erfindung gemeinsam mit Vorteilen und Merkmalen anhand von Beispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist eine Brennkammer 20 einer
Turbinenmaschine bzw. eines Turbinentriebwerks 10 geschaffen.
Die Brennkammer 20 weist eine darin definierte Verbrennungszone 21,
in der brennbare Materialien für
die Zwecke der Leistungserzeugung verbrannt werden. Die Brennkammer 20 ist
mit einem Übergangsstück 30 gekoppelt, durch
den Produkte aus der Verbrennung zu einer Turbine zugeführt werden,
in der die Verbrennungsprodukte eine Rotation von Turbinenlaufschaufel
an einem Rotor bewirken.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 enthält die Brennkammer 20 ein
Kopfende 11, das selbst wenigstens eine einzelne Brennstoffdüse 40 enthält. Die
Brennstoffdüse 40 kann
in verschiedenen Konfigurationen vorgesehen sein, zu denen die Konfigurationen
DLN 2.0, DLN 2+, DLN 2.5+, DLN 2.6 und DLN 2.6+ gehören, ohne
darauf beschränkt zu
sein. Als ein Beispiel repräsentiert
die Brennstoffdüse 40 nach 2 die
DLN 2.6+ Konfiguration und enthält
eine Düsenanordnung 50,
in der ein Brenner 60 von fünf zusätzlichen Brennern 60 umgeben
ist, wobei jeder Brenner 60 parallel zu den anderen ausgerichtet
ist. Die Brenner 60 sind in dieser Anordnung durch eine
ebene Basis 61, die durch das Kopfstück 11 strukturell
getragen ist, und Basiselemente 62, die die Brenner 60 mit
der Basis 61 koppeln, gehaltert.
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Unter
Bezugnahme auf 3 enthält jeder der Brenner 60 einen
kreisringförmigen
Mantel 70, der in der Nähe
der Verbrennungszone 21 der Brennkammer 20 endet,
und einen Mittelkörper 71,
der innerhalb des ringförmigen
Mantels 70 angeordnet ist. Auf diese Weise ist innerhalb
jedes Brenners 60 in dem kreisringförmigen Zwischenraum zwischen
dem ringförmigen Mantel 70 und
dem Mittelkörper 71 ein kreisringförmiger Durchgang
bzw. Kanal 80 definiert. Den brennbaren Materialien ist
gestattet, sich durch den ringförmigen
Durchgang 80 hindurch zu der Verbrennungszone hin auszubreiten.
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Die
brennbaren Materialien enthalten Gemische aus Luft und Brennstoff
in variierenden Mengen, basierend auf Lastanforderungen, Emissionsanforderungen
und weiteren Erwägungen
in Bezug auf die Turbinenmaschine. Die Luft kann in Form von durch einen
Kompressor erzeugter Druckluft bereitgestellt werden, die in den
Durchgang 80 über
Einlässe 90 und 91 eintritt.
Der Brennstoff kann in verschiedenen Formen von vorgemischtem Brennstoff,
Verteilungsbrennstoff und/oder Flüssigbrennstoff bereitgestellt werden
und wird in wenigstens einer oder mehreren dieser Formen zu dem
ringförmigen
Durchgang 80 über
Brennstoffinjektoren 92 mittels eines Brennstoffzufuhrsystems 100 geliefert,
das mit einer Brennstoffquelle gekoppelt ist und das Leitungen 101, 102 und 103 enthält. An jeder
Leitung 101, 102 und 103 sind Ventile 110 vorgesehen,
die eine Steuerung der Brennstoffmengen, die zu dem Durchgang 80 geliefert
werden können,
ermöglichen.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 und 4 sind drei
oder mehrere Drucksensoren 120 in relativer Zuordnung zu
bzw. Verbindung mit jedem der Brenner 60 angeordnet, um
jeweils statische Drücke innerhalb
der Durchgänge 80 jedes
Brenners 60 zu erfassen. Die Drucksensoren 120 sind
ferner konfiguriert, um jeweils erfasste statische Drucksignale auszugeben,
die den erfassten statischen Drücken entsprechen.
Die Drucksensoren 120 können
Druckentnahmemittel 121 enthalten, die die ringförmigen Mantel 70 jedes
Brenners 60 beispielsweise an einer axialen Position der
Brenner 60 zwischen derjenigen der Verwirbler hinter den
Einlässen 90 und 91 und derjenigen
der Brennstoffinjektoren 92 durchdringen. Die Drucksensoren 120 können ferner
eine Leitung 122 enthalten, die an einer Außenseite
der Mäntel 70 installiert
ist oder, als eine Alternative, innerhalb und als ein Teil der Mäntel 70 selbst
definiert ist.
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Unter
Bezugnahme auf 4 sind die Drucksensoren 120 eines
jeden der Brenner 60 längs des
Umfangs rings um den entsprechenden Brenner 60 angeordnet,
und sie können
in regelmäßigen Abständen voneinander
getrennt angeordnet sein. Folglich sind, wie in 4 veranschaulicht,
worin drei Drucksensoren 120 in relativer Verbindung mit
jedem Brenner 60 angeordnet sind, die Drucksensoren 120 jedes
Brenners 60 um 120° voneinander
getrennt. Natürlich
ist es zu verstehen, dass mehr als drei Drucksensoren 120 in
relativer Verbindung mit jedem Brenner 60 angeordnet sein
könnten
und in derartigen Fällen
der Trennabstand zwischen den Drucksensoren 120 entsprechend
verringert ist.
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Während die
vorstehend beschriebenen Konfigurationen der Drucksensoren 120 Konfigurationen
mit drei oder mehreren Drucksensoren 120 für jeden
Brenner 60 betreffen, sind diese Konfigurationen lediglich
beispielhafter Natur, und es ist zu verstehen, dass Konfigurationen
mit einem oder zwei Drucksensoren 120 ebenfalls möglich sind.
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Die
Brennkammer 20 enthält
ferner eine Steuerungseinrichtung 130, die mit jedem der
Drucksensoren 120 gekoppelt ist. Die Steuerungseinrichtung 130 ist
in der Lage, die erfassten statischen Drucksignale zu empfangen,
und enthält
eine Verarbeitungseinheit 131 und eine Speichereinheit 132, die
mit der Verarbeitungseinheit 131 gekoppelt ist. Die Speichereinheit 132 kann
in Form eines Computer lesbaren Mediums verwirklicht sein, auf dem
ausführbare
Instruktionen gespeichert sind, die, wenn sie ausgeführt werden,
die Verarbeitungseinheit 131 ver anlassen, anhand einer
Analyse der Signale zu bestimmen, ob irgendeiner oder irgendwelche
der Brenner 60 mit einer Flammenrückschlaggefahr verbunden ist
bzw. sind.
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Die
Verarbeitungseinheit 131 analysiert die Signale, indem
sie zunächst
einen mittleren statischen Druck innerhalb der Durchgänge 80 jedes
der Brenner 60 berechnet. Die Verarbeitungseinheit 131, die
als ein Komparator wirkt, vergleicht anschließend die mittleren statischen
Drücke
all der Brenner 60 miteinander. Hier beurteilt die Verarbeitungseinheit 131,
dass einer oder mehrere der Brenner 60 mit der Flammenrückschlaggefahr
verbunden ist bzw. sind, wenn die mittleren statischen Drücke innerhalb
ihrer jeweiligen Durchgänge 80 um
einen Grenzwert kleiner sind als die Mittelwerte der anderen einzelnen
der Brenner. Der Grenzwert kann anhand von Tests, die zum Zeitpunkt
der Herstellung des Brenners 60 vorgenommen werden, festgelegt
werden. Der Grenzwert kann auch über
den gesamten Lebenszyklus der Turbinenmaschine hinweg entsprechend
fortlaufenden Leistungsanalysen aktualisiert werden.
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Mit
der Verarbeitungseinheit 131 der Steuerungseinrichtung 30,
die beurteilt, dass ein Brenner 60 mit einer Flammenrückschlaggefahr
verbunden ist, ist die Steuerungseinrichtung 30 ferner
konfiguriert, um die Flammenrückschlaggefahr
zu mindern. Zu diesem Zweck kann die Steuerungseinrichtung 130 mit
wenigstens den Ventilen 110 des Brennstoffzufuhrsystems 100 in
steuerbarer Weise gekoppelt sein. Auf diese Weise kann die Steuerungseinrichtung 130 die
Ventile 110 öffnen
oder schließen,
um bei Gefahr eine Brennstoffmenge, die zu dem Brenner 60 geliefert
werden kann, zu erhöhen
oder zu verringern. Auf diese Weise kann ein gefahrenbehafteter Brenner 60 durch
Schließen
seines zugehörigen Ventils 110 des
Brennstoffs beraubt werden, und ein Flammenrückschlagvorfall in Bezug auf
diesen Brenner 60 kann vermieden werden. Außerdem oder
alternativ kann die Steuerungseinrichtung 130 konfiguriert
sein, um eine Turbinenmaschinenlast zu verringern. Auf diese Weise
wird ein gesamter Brennstoffbedarf der Turbinenmaschine gemeinsam
mit den Temperaturen innerhalb wenigstens der Verbrennungszone 21 gesenkt.
Hier wird die Möglichkeit, dass
ein Flammenrückschlag
in irgendeinem bestimmten Brenner 60 auftritt, entsprechend
verringert.
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Unter
Bezugnahme auf 5 und entsprechend einem weiteren
Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffdüse 40 einer
Turbinenmaschinenbrennkammer bzw. Turbinentriebwerksbrennkammer,
die zwei oder mehrere Brenner 60 enthält, geschaffen. Das Verfahren
enthält,
dass statische Drücke
innerhalb eines Durchgangs 80, der in jedem der Brenner
definiert ist, erfasst werden, 500, die statischen Drücke analysiert werden,
um einen mittleren statischen Druck innerhalb des Durchgangs 80 in
jedem der Brenner zu berechnen, 510, und die mittleren
statischen Drücke miteinander
verglichen werden, 520. Anhand eines Ergebnisses des Vergleichs
wird anschließend
festgestellt, ob ein oder mehrere der Brenner 60 mit einer Flammenrückschlaggefahr
verbunden ist bzw. sind, 530. Wenn festgestellt wird, dass
kein Brenner 60 gefährdet
ist, kehrt die Steuerung zu der Erfassung des statischen Drucks 510 entlang
einer Schleife 550 zurück.
Wenn umgekehrt festgestellt wird, dass irgendein Brenner 60 gefährdet ist,
wird die mit dem einen oder den mehreren der Brenner 60 verbundene Flammenrückschlaggefahr
gemindert, 540. Anschließend kehrt die Steuerung zu
der Erfassung des statischen Drucks 510 entlang einer Schleife 551 zurück.
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Wie
vorstehend beschrieben, enthält
die Feststellung eine Beurteilung, dass der eine oder die mehreren
der Brenner 60 mit der Flammenrückschlaggefahr verbunden ist
bzw. sind, falls zugehörige
einzelne der mittleren statischen Drücke um einen Grenzwert kleiner
sind als die mittleren statischen Drücke der anderen einzelnen Brenner 60.
In ähnlicher
Weise enthält
die Minderung eine Verringerung einer zu dem einen oder den mehreren
gefährdeten Brennern 60 zuführbaren
Brennstoffmenge und/oder eine Verringerung einer Turbinenmaschinenlast.
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Während die
Erfindung in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von
Ausführungsformen
im Detail beschrieben worden ist, sollte es ohne weiteres verständlich sein,
dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen
beschränkt
ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um jede beliebige
Anzahl von Modifikationen, Veränderungen,
Substitutionen oder äquivalenten
Anordnungen zu enthalten, die hier vorstehend nicht beschrieben
sind, die jedoch dem Rahmen und Umfang der Erfindung entsprechen.
Außerdem
ist es zu verstehen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich
einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäß ist die
Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen,
sondern ist nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
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Es
ist eine Brennkammer 20 einer Turbinenmaschine 10 mit
einer darin definierten Verbrennungszone 21 geschaffen,
wobei die Brennkammer 20 eine Brennstoffdüse 40,
die zwei oder mehrere Brenner 60 enthält, wobei jeder der Brenner 60 einen darin
definierten Durchgang 80 aufweist, durch den brennbaren
Materialien gestattet wird, zu der Verbrennungszone 21 zu
strömen,
mehrere Sensoren 120, die in relativer Verbindung mit jedem
der Brenner 60 angeordnet sind, um jeweils statische Drücke innerhalb
der Durchgänge 80 jedes
Brenners 60 zu erfassen und um jeweils entsprechend erfasste
statische Drucksignale auszugeben, und eine Steuerungseinrichtung 130 enthält, die
mit den Sensoren 120 gekoppelt und in der Lage ist, die
Signa le entgegenzunehmen, wobei die Steuerungseinrichtung 130 konfiguriert
ist, um anhand einer Analyse der Signale festzustellen, ob irgendwelche
von den Brennern 60 mit einer Flammenrückschlaggefahr verbunden sind, und
um die Flammenrückschlaggefahr
entsprechend der Feststellung zu mindern.
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- 10
- Turbinenmaschine,
Turbinentriebwerk
- 11
- Kopfende,
Kopfstück
- 20
- Brennkammer
- 21
- Verbrennungszone
- 30
- Übergangsstück
- 40
- Brennstoffdüse
- 50
- Düsenanordnung
- 60
- Brenner
- 61
- Ebene
Basis
- 62
- Basiselemente
- 70
- Ringförmiger Mantel
- 71
- Mittelkörper
- 80
- Ringförmiger Durchgang
- 90,
91
- Einlässe
- 92
- Brennstoffinjektoren
- 100
- Brennstoffzufuhrsystem
- 101,
102, 103
- Leitungen
- 110
- Ventile
- 120
- Drucksensoren
- 121
- Druckentnahmemittel
- 122
- Leitung
- 130
- Steuerungseinrichtung
- 131
- Verarbeitungseinheit
- 132
- Speichereinheit
- 500
- Erfassung
der statischen Drücke
- 510
- Analyse
der statischen Drücke
- 520
- Vergleich
der statischen Drücke
- 530
- Feststellung
einer Flammenrückschlaggefahr
- 540
- Minderung
der Flammenrückschlaggefahr
- 550,
551
- Schleife