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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die hierin beschriebene Erfindung betrifft eine Vormischdüse einer Brennkammeranordnung, die in einer schadstoffreduzierten industriellen Gasturbine genutzt wird.
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In Verbrennungssystemen von schadstoffreduzierten Gasturbinentriebwerken, die gelegentlich als Dry-Low-NOx-(DLN)-Brennkammeranordnungen bezeichnet werden, werden vorgemischte Luft und Brennstoff in Brennkammern verbrannt, die stramaufwärts von Turbinen angeordnet sind, in denen mechanische Energie von den durch die Verbrennung erzeugten Hochtemperaturfluiden abgeleitet wird. Die mechanische Energie wird anschließend in elektrische Energie umgewandelt und zu elektrischen Netzwerken übertragen. Die Brennkammeranordnungen enthalten gewöhnlich Brennstoffdüsen mit Vormischkanälen, in denen die Luft und der Brennstoff miteinander vermischt werden. Dieses Vormischen wird durchgeführt, um die Spitzenwerte von Flammentemperaturen in der Brennkammeranordnung zu verringern und um die Entstehung von Stickoxiden (NOx) in dem Abgasstrom zu reduzieren.
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Mit Blick auf Brennstoffflexibilität und Verfügbarkeit der Kraftanlage sind schadstoffreduzierte Gasturbinen häufig mit einem System ausgerüstet, das dazu dient, zusätzlich zu den Gasvormischeinrichtungen Öl als einen sekundären oder Reservebrennstoff zu injizieren. Diese Ölinjektoren werden gewöhnlich durch das Zentrum der Gasvormischeinrichtungen eingeführt, so dass der Ölinjektionsauslass in Strömungsverbindung mit der Brennkammerreaktionszone steht. Da der Ölbrennstoff vor der Verbrennung weder verdampft nach mit der Luft vorgemischt wird, sondern unmittelbar in die Reaktionszone injiziert wird, müssen große Mengen von Wasser (im Falle einer großen Energieerzeugungsturbine sind dies mehrere Hunderttausend Gallonen pro Tag) in die Reaktionszone eingespritzt werden, um die Flammentemperaturen und die NOx-Emissionen bis zu den durch die Regulierungsbehörden vorgeschriebenen Werten zu vermindern. In der Tat setzen herkömmliche Verfahren häufig voraus, dass mehr Wasser als Brennstoff unmittelbar eingespeist wird, um NOx-Pegel von etwa 42 ppm zu erreichen, die gewöhnlich bei einer Befeuerung auf der Basis von Ölbrennstoff erwartet werden.
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Außerdem sind in herkömmlichen von Hinterlader-Ölpatronen/Gasvormischeinrichtungen konzentrische Rohre ineinander verschachtelt, die sämtliche an einem Ende starr gelagert sind und sich an dem fernen Ende in Bezug zueinander frei bewegen können. In Betrieb der Turbine neigen die fernen Enden der Rohre in Reaktion auf einen durch die Gasturbine erzeugt Schall, der ein weites Spektrum aufweist, dazu, zu vibrieren und sich gegenseitig zu berühren. Die Rohre und die Düsenspitzenkomponenten sind daher für eine starken Belastungs- und Reibverschleiß zwischen sich entsprechenden Teilen anfällig.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vormischdüse einer Brennkammer geschaffen, wobei zu der Vormischdüse gehören: ein Gasvormischermodul; ein zentraler Grundkörper, der sich in eine Aufnahme in das Gasvormischermodul einsetzen lässt; und ein verformbares, nachgiebiges Zwischenstück, das zwischen dem Gasvormischermodul und dem zentralen Grundkörper angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vormischdüse einer Brennkammer mit einer Endabdeckung geschaffen, wobei zu der Vormischdüse gehören: ein Gasvormischermodul, das an der Endabdeckung angebracht ist; ein zentraler Grundkörper, der sich durch die Endabdeckung und in das Gasvormischermodul in einen Verschluss einsetzen lässt; und ein verformbares, nachgiebiges Zwischenstück, das zwischen dem Gasvormischermodul und dem zentralen Grundkörper angeordnet ist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vormischdüse einer Brennkammeranordnung geschaffen, wobei zu der Vormischdüse gehören: ein Außengrundkörper mit einer äußeren ringförmigen Ummantelung, die ausgebildet ist, um eine Vormischkammer und eine innere Ringwand zu bilden, die ausgebildet ist, um zwischen einer Außenfläche davon und der äußeren ringförmigen Ummantelung stromaufwärts der Vormischkammer einen Vormischkanal zu bilden; ein zentraler Grundkörper, der in einen von der inneren Ringwand gebildeten Verschluss eingesetzt wird, um dem Vormischkanal Brennstoff zuzuführen; und ein Dichtungselement, das dazu eingerichtet ist, radial zwischen einem Innendurchmesser der inneren Ringwand und einem Außendurchmesser des zentralen Grundkörpers eingesetzt zu werden, um den zentralen Grundkörper in dem Verschluss zu stützen.
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Diese und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der als die Erfindung angesehene behandelte Gegenstand wird in den der Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten und sonstige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlich:
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1 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Gasvormischermoduls;
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2 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines zentralen Grundkörpers;
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3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht des zentralen Grundkörpers von 1, der in einen Verschluss in das Gasvormischermodul von 1 eingesetzt ist;
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4 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein Dichtungselement; und
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5–7 zeigen perspektivische Ansichten sekundärer Dichtungselemente.
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Die detaillierte Beschreibung erläutert anhand der Zeichnungen zusammen mit Vorteilen und Merkmalen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Innere Komponenten einer Vormischdüse einer Brennkammer sind durch Schweißen, Hartlöten, Schraubverbindungen, konische Sitze oder einfach durch Übermaß von Berührungsflächen freitragend gelagert und längs deren Längen zusätzlich durch Dichtungselemente getragen. Es ist eine unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen einem zentralen Grundkörper und einem Gasvormischermodul zugelassen, während Schwingungen gedämpft werden. Die Dichtungselemente stellen keinen wirkungsvollen Wärmeleitungspfad zwischen den Modulen bereit und tragen daher dazu bei, die mit Flüssigbrennstoff benetzten Oberflächen in dem zentralen Grundkörper zu isolieren.
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Gemäß 1–3 ist eine Vormischdüse 10 einer Brennkammer mit einer Endabdeckung geschaffen, wobei die Vormischdüse einen Außengrundkörper, beispielsweise ein Gasvormischermodul 20, einen zentralen Grundkörper 30 und ein Dichtungselement 40 aufweist.
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Wie in 1 gezeigt, weist das Gasvormischermodul 20 eine äußere ringförmige Ummantelung 21 und eine innere Ringwand 22 auf. Die äußere ringförmige Ummantelung 21 erstreckt sich von einem stromaufwärts gelegenen Ende 23 ausgehend, durch einen Mittelstromabschnitt 24 zu einem stromabwärts gelegenen Ende 25. An dem stromabwärts gelegenen Ende 25 ist die äußere ringförmige Ummantelung 21 ausgebildet, um in ihrem Inneren eine Vormischkammer 26 zu definieren. An dem stromaufwärts gelegenen Ende 23 definieren die äußere ringförmige Ummantelung 21 und die innere Ringwand 22 gemeinsam eine Lufteinlassöffnung 27, durch die Verdichterabluft in das Gasvormischermodul 20 eintritt. Entlang des Mittelstromabschnitts 24 definieren die äußere ringförmige Ummantelung 21 und die innere Ringwand 22 gemeinsam einen Vormischkanal 28, in dem entzündbare Fluide vor dem Eintritt in die Vormischkammer 26 vorgemischt werden.
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Stromaufwärts des stromaufwärts gelegenen Endes 23, beinhalten weitere Komponenten einen Befestigungsflansch 50, ein strukturelles Schaftstützrohr 51 und einen Luftturbulenzerzeuger 60. Der Befestigungsflansch 50 stützt die Befestigung der Vormischdüse 10 in einer Brennkammer, und das strukturelle Schaftstützrohr 51 erstreckt sich von dem Befestigungsflansch 50 zu dem stromaufwärts gelegenen Ende 23. In dem Befestigungsflansch 50 und in dem strukturellen Schaftstützrohr 51 sind konzentrische Brennstoff- und Gasrohre ausgebildet.
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Der zentrale Grundkörper 30 kann in einen Verschluss 55 eingesetzt werden, der von dem Befestigungsflansch 50, dem strukturellen Schaftstützrohr 51 und der innere Ringwand 22 gebildet wird und der dazu eingerichtet ist, wenigstens dem Vormischkanal 28 Brennstoff, z. B. trockenes Öl, Flüssigbrennstoff, Spülluft und/oder gasförmigen Brennstoff, zuzuführen. Die Zufuhr kann über Brennstoffinjektorlöcher durchgeführt werden, z. B. Flüssigbrennstoffzerstäuberdüsen, die in dem Außendurchmesser des zentralen Grundkörpers 30 und in der inneren Ringwand 22 ausgebildet sind. Der zentrale Grundkörper 30 ist im Wesentlichen rohrförmig und hohl gestaltet, so dass seinem Inneren 31 Brennstoff zugeführt werden kann.
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Wie in 2 gezeigt, weist der zentrale Grundkörper ein Befestigungsflanschende 32, eine Diffusionsdüse 33 und einen mittigen Abschnitt 34 auf. Der mittige Abschnitt 34 ist axial zwischen dem Befestigungsflanschende 32 und der Diffusionsdüse 33 angeordnet. Der zentrale Grundkörper 30 weist ferner an dem Befestigungsflanschende 32 Flüssigkeits- und Spülluft/Gasbrennstoffeinlässe 35 auf und ist an dem Befestigungsflanschende 32 auf der Endabdeckung wenigstens teilweise freitragend gelagert. Darüber hinaus steht mindestens der Innenraum 31 des zentralen Grundkörpers 30 über Öffnungen, die an der Diffusionsdüse 33 ausgebildet sind, mit einer Verbrennungszone der Brennkammer in Strömungsverbindung.
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Mit dem wenigstens teilweise freitragend an der Endabdeckung gelagerten zentralen Grundkörper 30 lässt sich das Dichtungselement 40 radial zwischen einem Innendurchmesser der inneren Ringwand 22 und einem Außendurchmesser des zentralen Grundkörpers 30 einfügen. An dieser Stelle stellt das Dichtungselement 30 zusätzlichen Halt für den zentralen Grundkörper 30 in dem Verschluss 55 bereit. Die große Berührungsfläche und die verhältnismäßig nachgiebige Natur des Dichtungselements 40 wirkt außerdem als eine Dämpfungseinrichtung, die dazu dient, die Grade der Relativbewegung, des Reibverschleißes und der Schwingungsbeanspruchung, denen die Gasmodul- und Flüssigmodulanordnung ausgesetzt sind, zu verringern, mit dem Ergebnis einer verbesserte Beständigkeit und einer verlängerten Lebensdauer von Komponenten.
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Wie in 3 gezeigt, ist das Dichtungselement 40 in der inneren Ringwand 22 durch Schweißen, Hartlöten, metallurgische Verbindung oder ein sonstiges ähnliches Verbindungsverfahren eingebaut. Der zentrale Grundkörper 30 wird in den Verschluss 55 eingesetzt, in dem er mit der Diffusionsdüse 33 als dem führenden Ende durch die Endabdeckung, den Verschluss 55 und das Dichtungselement 40 eingeführt wird. Nach dem vollständigen Einsetzen ist das Befestigungsflanschende 32 mit der Endabdeckung verbunden, und der mittige Abschnitt 34 des zentralen Grundkörpers 30 ist in der Nähe des Mittelstromabschnitts 24 des Gasvormischermoduls 20 durch das Dichtungselement 40 gestützt.
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Gemäß 4 kann das Dichtungselement 40 auf einem verformbaren und/oder nachgiebigen Material basieren, das eine Labyrinthdichtung und/oder eine Wabendichtung 41 bildet. Auf diese Weise kann dem zentralen Grundkörper 30 Halt verliehen werden, wobei der Halt nicht so starr ist, dass die durch die massive rotierende Turbine hervorgerufenen normalen Schwingungen oder die durch Verbrennung induzierten (häufig als Verbrennungsgeräusch oder Verbrennungsdynamik bezeichneten) dynamischen Druckschwankungen einen Reibverschleiß, einen Berührungsflächenverschleiß oder eine Rissbildung aufgrund von Materialermüdung hervorrufen können. D. h. die Nachgiebigkeit und Verformbarkeit des Dichtungselements 40 dienen dazu, relative Schwingung zwischen dem zentralen Grundkörper 30 und dem Gasvormischermodul 20 zu dämpfen, so dass ein gewisses Maß an Schwingung erlaubt ist, jedoch eine Berührung zwischen dem zentralen Grundkörper 30 und dem Gasvormischermodul 20, die möglicherweise Beschädigungen an jenen Komponenten hervorrufen könnte, vermieden ist. Das Dichtungselement 40 kann ebenfalls anhand eines Materials ausgebildet sein, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass die Wärmeübertragung zwischen dem Gasvormischermodul 20 und dem zentralen Grundkörper 30 beschränkt ist, und sich mit Flüssigbrennstoff benetzte Oberflächen in dem zentralen Grundkörper 30 von der durch Luftturbulenzerzeuger in dem Gasvormischermodul 20 absorbierten Konvektion isolieren lassen.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 3 kann die äußere ringförmige Ummantelung 21 außerdem so gestaltet sein, dass sie an einer Stelle axial stromaufwärts des Vormischkanals 28 einen Verdichterabluftinjektor 65 bildet. Der Luftturbulenzerzeuger 60 der äußeren ringförmigen Ummantelung 21 kann stromabwärts des Verdichterabluftinjektors 65 und stromaufwärts des Vormischkanal 28 oder in dessen Innerem angeordnet sein. Außerdem kann die äußere ringförmige Ummantelung 21 ein sekundäres Dichtungselement 66 aufweisen. Das sekundäre Dichtungselement 66 ist dazu eingerichtet, zwischen dem Luftturbulenzerzeuger 60 und dem zentralen Grundkörper 30 radial eingefügt zu werden, um dem zentralen Grundkörper 30 in dem Verschluss zusätzlichen Halt zu verleihen.
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Wie in 3 gezeigt, kann ein innerer radialer Abschnitt des Luftturbulenzerzeugers 60 radial von einem Außendurchmesser des zentralen Grundkörpers 30 beabstandet sein, und das sekundäre Dichtungselement 66 kann von dem Verdichterabluftinjektor 65 axial beabstandet sein. Mittels dieser Anordnung kann ein Reinigungsfilmpfad 67 für Verdichterabluft (CPD) ausgebildet werden, die in den Gasvormischermodul 20 durch den Verdichterabluftinjektor 65 eintritt. Mindestens ein Teil der Verdichterabluft, die nicht unmittelbar in den Vormischkanal 28 über den Luftturbulenzerzeuger 60 eintritt, strömt entlang des Verdichterabluftinjektors 65 radial nach innen, trifft auf den zentralen Grundkörper 30 auf und strömt anschließend entlang des Außenumfangs des zentralen Grundkörpers 30 axial in Richtung des sekundären Dichtungselements 66, bevor es der Luft gestattet ist, zu dem Vormischkanal 28 zu strömen.
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Ein durch den Reinigungsfilmpfad 67 vorgesehener CPD-Film verhindert einen Rückschlag der Flamme in die Vormischeinrichtung, der durch turbulente Nachströmungen, dicke Grenzschichten und andere schwache sekundäre Strömungen hervorgerufen wird, in denen die lokale Geschwindigkeit des Gemisches die Geschwindigkeit der turbulenten Flammenausbreitung unterschreitet. Dies würde ohne den Film besonders schwierig sein, wenn versucht wird, Dieseltreibstoff zu verdampfen und vorzumischen, der sich in Millisekunden selbst entzündet, wenn er Temperaturen von etwa 400 bis 500 Grad Fahrenheit erreicht. Der CPD-Film fegt jedes flüssige Öl weg, das seinen Weg auf jene Oberflächen finden könnte, so dass die Bildung von festem Kohlenstoff vermieden wird, die dazu führen könnte, dass der Vormischerluftstrom eine dicke Grenzschicht und eine turbulente Nachströmung hinter der Ablagerung von festem Kohlenstoff erzeugt, die bewirken würde, dass die vorgemischte Flamme in den Vormischkreisring kriecht und Teile des Systems verbrennt, die nicht mit Blick auf eine Flamme konstruiert sind. Dementsprechend wird im Falle der Verbrennung von vorgemischtem Öl der Bedarf an Millionen von Gallonen von Wasser vermieden, die andernfalls für die NOx-Begrenzung verbraucht würden. Darüber hinaus ist die Fähigkeit vorgesehen, die Grenzschichten mittels des CPD-Films herauszuschwemmen, und außerdem Flüssigbrennstoffinjektoren unmittelbar an dem zentralen Grundkörper 30 anzubringen.
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Mit Bezug auf 5–7 kann das sekundäre Dichtungselement 66 mindestens beinhalten: eine C-förmige Dichtung 70, die einen C-förmigen Dichtungskörper 71 aufweist, bei dem sich der C-förmige Querschnitt in der stromabwärts verlaufenden Richtung öffnet (siehe 5), eine axiale C-förmige Dichtung 72 mit einem axialen C-förmigen Dichtungskörper 73, bei dem sich der C-förmige Querschnitt radial nach außen öffnet (siehe 6), oder eine C-förmige Superdichtung 74 mit einem C-förmigen Superdichtungskörper 75, bei dem die Enden der Dichtung ineinander gerollt und der stromaufwärts verlaufenden Richtung zugewandt sind (siehe 7).
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Während die Erfindung lediglich anhand einer beschränkten Anzahl von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern, die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es auch selbstverständlich, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.
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Eine Vormischdüse 10 einer Brennkammeranordnung ist geschaffen, wobei die Vormischdüse ein Gasvormischermodul 20, einen zentralen Grundkörper 30, der sich in einen Verschluss in das Gasvormischermodul 20 einsetzen lässt, und ein verformbares, nachgiebiges Zwischenstück 40 enthält, das zwischen dem Gasvormischermodul 20 und dem zentralen Grundkörper 30 angeordnet ist.
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Geschaffen ist eine Vormischdüse 10 einer Brennkammeranordnung, wobei die Vormischdüse ein Gasvormischermodul 20, einen zentralen Grundkörper 30, der sich in einen Verschluss in das Gasvormischermodul 20 einsetzen lässt, und ein verformbares, nachgiebiges Zwischenstück 40 aufweist, das zwischen dem Gasvormischermodul 20 und dem zentralen Grundkörper 30 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vormischdüse
- 20
- Gasvormischermodul
- 21
- Äußere ringförmige Ummantelung
- 22
- Innere Ringwand
- 23
- Stromaufwärts gelegenes Ende
- 24
- Mittelstromabschnitt
- 25
- Stromabwärts gelegenes Ende
- 26
- Vormischkammer
- 27
- Lufteinlassöffnung
- 28
- Vormischkanal
- 30
- Zentraler Grundkörper
- 32
- Befestigungsflanschende
- 33
- Diffusionsdüse
- 34
- Zentraler Bereich
- 35
- Brennstoffeinlässe
- 40
- Dichtungselement
- 41
- Wabendichtung
- 50
- Befestigungsflansch
- 51
- Strukturelles Schaftstützrohr
- 55
- Verschluss
- 60
- Luftturbulenzerzeuger
- 65
- Luftinjektor
- 66
- Sekundäres Dichtungselement
- 67
- Reinigungsfilmpfad
- 70
- C-förmige Dichtung
- 71
- C-förmiger Dichtungskörper
- 72
- Axiale C-förmige Dichtung
- 73
- Axialer C-förmiger Dichtungskörper
- 74
- C-förmige Superdichtung
- 75
- C-förmiger Superdichtungskörper
