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LIZENZRECHTE DER US-REGIERUNG
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Diese Anmeldung wurde mit Unterstützung der US-Regierung unter dem von dem US-Energieministerium erteilten Auftrag Nr. DE-FC26-05NT42643 gemacht. Die US-Regierung kann bestimmte Rechte an dieser Erfindung haben.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Gasturbinen und insbesondere eine Verbrennungsanordnung sowie ein Verfahren zur Reduktion von Druckschwankungen der Verbrennungsanordnung.
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Ein Verbrennungsabschnitt eines Gasturbinensystems enthält gewöhnlich eine Brennkammer, die relativ benachbart zu einem Übergangsbereich angeordnet ist, der Heißgase von der Brennkammer zu einem Turbinenabschnitt leitet. Herkömmlich ist die Brennkammer durch einen Brennkammereinsatz definiert, der von einer Strömungshülse umgeben ist, wobei der Übergangsbereich durch einen Übergangseinsatz definiert ist, der von einer Prallhülse umgeben ist. In letzter Zeit umfassen Brennkammerabschnitte die Brennkammer und den Übergangsbereich innerhalb eines einzigen Einsatzes. Ein hinteres Ende des Brennkammerabschnitts kann große Druckschwankungen erfahren. Derartige Druckschwankungen können aufgrund einer dauerhaften Erzeugung von hohen Amplituden der Gesamtdynamik für Drucktöne, die sich an dem hinteren Ende des Brennkammerabschnitts zeigen, die Lebensdauer des Einsatzes sowie von Laufschaufeln innerhalb des Turbinenabschnitts reduzieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine Verbrennungsanordnung einen Verbrennungsabschnitt. Ferner ist ein Luftauslassabschnitt stromabwärts des Verbrennungsabschnitts enthalten. Ferner ist ein Übergangsbereich zwischen dem Verbrennungsabschnitt und dem Luftauslassabschnitt enthalten. Noch ferner ist ein Übergangsstück, das den Verbrennungsabschnitt und den Übergangsbereich definiert, enthalten, wobei das Übergangsstück konfiguriert ist, um eine Strömung verbrannter Gase von dem Brennkammerabschnitt zu dem Luftauslassabschnitt zu führen. Ferner ist eine Dämpfungsvorrichtung enthalten, die mit dem Übergangsstück in der Nähe des Luftauslassabschnitts wirkungsmäßig gekoppelt ist.
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Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Verbrennungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung enthalten eine oder mehrere der folgenden:
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Die Dämfungsvorrichtung weist vorzugsweise einen Resonator auf.
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Der Resonator kann einen elektromagnetischen Resonator aufweisen.
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Alternativ kann der Resonator einen mechanischen Resonator aufweisen.
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Das Übergangsstück kann einen Einsatz mit einer Außenfläche aufweisen, wobei die Dämpfungsvorrichtung mit der Außenfläche wirkungsmäßig gekoppelt ist.
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Die Dämpfungsvorrichtung kann den Einsatz an der Außenfläche vollständig umgeben.
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Das Übergangsstück kann ferner eine Hülse aufweisen, die außen von einer Außenfläche eines Einsatzes des Übergangsstücks angeordnet ist.
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Die Dämpfungsvorrichtung kann konfiguriert sein, um eine Kühlströmung für den Einsatz durch mehrere Löcher, die in der Hülse angeordnet sind, bereitzustellen.
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Die Dämpfungsvorrichtung kann zwischen der Hülse und dem Einsatz angeordnet sein.
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Alternativ kann die Dämpfungsvorrichtung außerhalb der Hülse angeordnet sein.
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Der Luftauslassabschnitt kann einen Strömungsbereich mit Durchflussbegrenzung aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein gedämpfter Auslass eines Übergangsstücks einen Luftauslassabschnitt, der sich an einem stromabwärtigen Ende eines Einsatzes des Übergangsstücks befindet. Ferner ist ein Resonator enthalten, der mit dem Einsatz in der Nähe des Luftauslassabschnitts wirkungsmäßig gekoppelt ist, wobei der Resonator konfiguriert ist, um Druckschwankungen innerhalb des Übergangsstücks zu dämpfen.
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Besonders bevorzugte Ausführungsformen des gedämpften Auslasses eines Übergangsstücks gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung können diejenigen der Verbrennungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt enthalten und enthalten insbesondere eine oder mehrere der folgenden:
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Der Resonator kann einen elektromagnetischen Resonator aufweisen.
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Alternativ kann der Resonator einen mechanischen Resonator aufweisen.
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Der Resonator kann eine Außenfläche des Einsatzes vollständig umgeben.
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Der Resonator kann zwischen einer Hülse und dem Einsatz angeordnet sein, wobei die Hülse außerhalb des Einsatzes angeordnet ist.
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Alternativ ist der Resonator außerhalb einer Hülse angeordnet, die den Einsatz umgibt.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Reduktion von Druckschwankungen einer Verbrennungsanordnung geschaffen. Das Verfahren enthält ein Leiten einer Strömung verbrannter Gase durch einen Übergangsbereich eines Übergangsstücks von einem Brennkammerabschnitt zu einem Luftauslassabschnitt. Ferner ist ein Dämpfen von Druckschwankungen innerhalb des Übergangsstücks mit einer Dämpfungsvorrichtung enthalten, die mit dem Übergangsstück in der Nähe des Luftauslassabschnitts wirkungsmäßig gekoppelt ist.
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Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zur Reduktion von Druckschwankungen gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung können diejenigen der Verbrennungsanordnung und des gedämpften Auslasses gemäß dem ersten und zweiten Aspekt enthalten und enthalten insbesondere eine oder mehrere der folgenden:
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Das Verfahren kann ferner ein Reduzieren von Druckschwingungsbäuchen in der Nähe des Luftauslassabschnittes mit der Dämpfungsvorrichtung aufweisen.
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Die Dämpfungsvorrichtung weist vorzugsweise einen Resonator auf.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offenkundiger.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Die vorstehenden sowie weitere 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 schematische Darstellung eines Turbinensystems;
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2 eine quer geschnittene, schematische Teildarstellung einer Verbrennungsanordnung des Turbinensystems;
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3 eine Hinteransicht einer Dämpfungsvorrichtung der Verbrennungsanordnung; und
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4 ein Flussdiagramm unter Veranschaulichung eines Verfahrens zur Reduktion von Druckschwankungen einer Verbrennungsanordnung.
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Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend auf 1 ist eine Gasturbine 10, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, schematisch dargestellt. Die Gasturbine 10 enthält einen Verdichter 12 und mehrere Brennkammeranordnungen, die in einer ringrohrförmigen Anordnung angeordnet sind, wobei eine von denen bei 14 angezeigt ist. Wie veranschaulicht, enthält die Verbrennungsanordnung 14 eine Endabdeckungsanordnung 16, die einen Verbrennungsabschnitt 18 dichtend verschließt und wenigstens teilweise definiert. Mehrere Düsen 20–22 sind von der Endabdeckungsanordnung 16 getragen und erstrecken sich in den Verbrennungsabschnitt 18 hinein. Die Düsen 20–22 empfangen einen Brennstoff durch einen gemeinsamen Brennstoffeinlass (nicht veranschaulicht) und verdichtete Luft von dem Verdichter 12. Der Brennstoff und die verdichtete Luft werden in den Verbrennungsabschnitt 18 geleitet und gezündet, um ein Verbrennungsprodukt oder einen Luftstrom mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen, das bzw. der verwendet wird, um eine Turbine 24 anzutreiben. Die Turbine 24 enthält mehrere Stufen 26–28, die mit dem Verdichter 12 über eine Verdichter/Turbinen-Welle 30 (die auch als ein Rotor bezeichnet wird) betriebsmäßig verbunden sind.
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Im Betrieb strömt Luft in den Verdichter 12 hinein und wird zu einem Hochdruckgas verdichtet. Das Hochdruckgas wird zu der Verbrennungsanordnung 14 geliefert und mit einem Brennstoff, z.B. Erdgas, Heizöl, Prozessgas und/ oder synthetischem Gas, in dem Verbrennungsabschnitt 18 vermischt. Das Brennstoff/Luft-Gemisch oder brennbare Gemisch entzündet sich, um einen Verbrennungsgasstrom hohen Drucks und hoher Temperatur zu bilden. In jedem Fall leitet die Verbrennungsanordnung 14 den Verbrennungsgasstrom zu der Turbine 24, die Wärmeenergie in mechanische Rotationsenergie umwandelt.
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Indem nun auf die 2 und 3 Bezug genommen wird, ist eine Verbrennungsanordnung 14 in größeren Einzelheiten schematisch dargestellt. Wie vorstehend erwähnt, werden Brennstoff und Luft in dem Verbrennungsabschnitt 18 in der Nähe eines Kopfendes 32 der Verbrennungsanordnung 14 miteinander vermischt, wodurch sie eine Strömung 34 verbrannter Gase ergeben. Die Strömung 34 verbrannter Gase wird durch einen Übergangsbereich 36 der Verbrennungsanordnung 14 zu einem Luftauslassabschnitt 40 geleitet, der an einem stromabwärtigen Ende der Verbrennungsanordnung 14 angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform ist ein Übergangsstück 42 enthalten, und dieses weist einen Einsatz 44 auf, der als eine Einzelkomponente unmittelbar von dem Kopfende 32 aus, das eine im Wesentlichen kreisförmige Geometrie aufweisen kann, zu dem Luftauslassabschnitt 40 verläuft, der eine ovale Querschnittsgeometriekonfiguration aufweisen kann, die einem ringförmigen Austritt für die Verbrennungsgasströmung 34 zu einem Abschnitt der Turbine 24 entspricht. Der Einsatz 44 kann aus zwei Hälften oder mehreren Komponenten gebildet sein, die zur Erleichterung der Montage oder Herstellung miteinander verschweißt oder zusammengefügt sein können. Eine Hülse 46 umgibt wenigstens teilweise den Einsatz 44 und ist radial außen von diesem angeordnet. Die Hülse 46 verläuft ebenfalls unmittelbar von dem Kopfende 32 aus zu dem Luftauslassabschnitt 40 als eine Einzelkomponente. Ähnlich wie der Einsatz 44 kann die Hülse 46 zur Erleichterung der Montage oder Herstellung aus zwei Hälften ausgebildet und miteinander verschweißt oder verbunden sein. Es soll verstanden werden, dass eine Bezugnahme auf eine „Einzelkomponente“, wie sie vorstehend in Bezug auf den Einsatz 44 und die Hülse 46 verwendet wird, sich auf mehrere Teile beziehen kann, die miteinander verbunden werden, um eine einzige gesamte Struktur zu bilden, wobei die Verbindung durch einen beliebigen geeigneten Prozess zur Verbindung von Elementen erfolgt.
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Der Luftauslassabschnitt 40 kann in verschiedenen Konfigurationen gestaltet sein, um gewünschte Austrittsbedingungen für die Strömung 34 verbrannter Gase an der Ausstoßstelle zu der Turbine 24 zu erreichen, und insbesondere für die Lieferung der Strömung 34 verbrannter Gase zu einer ersten Stufe 48 der Turbine 24. Die erste Stufe 48 enthält gewöhnlich mehrere Schaufelblätter 50, wie beispielsweise eine Reihe von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Leitschaufeln oder Laufschaufeln. In einer Ausführungsform ist das Übergangsstück 42 in der Nähe des Luftauslassabschnittes 40 in einer Weise gestaltet, wie sie als ein Strömungsbereich 52 mit Durchflussbegrenzung bezeichnet wird. Der Strömungsbereich 52 mit Durchflussbegrenzung bezieht sich auf einen Bereich, der die Strömung 34 verbrannter Gase durch Verringerung der Querschnittsfläche, durch die die Strömung 34 verbrannter Gase hindurchtritt, beschränkt. Aufgrund der Beschränkung sowie einer einen geringeren Druck aufweisenden Umgebung der Turbine 24, die sich stromabwärts von dem Strömungsbereich 52 mit Durchflussbegrenzung befindet, steigt die Fluidgeschwindigkeit der Strömung 34 verbrannter Gase an. Der Strömungsbereich 52 mit Durchflussbegrenzung kann verwendet werden, um eine erste Stufe eines Leitapparates der Turbine 24 zu imitieren, so dass eine Aufnahme des Leitapparates erster Stufe optional ist.
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Ein Effekt des Durchleitens der Strömung 34 verbrannter Gase durch den Strömungsbereich 52 mit Durchflussbegrenzung ist eine große Stärke der Druckschwankung in der Nähe des Luftauslassabschnittes 40. Um die erfahrenen Druckschwankungen zu dämpfen, ist mit dem Übergangsstück 42 in der Nähe des Luftauslassabschnittes 40 eine Dämpfungsvorrichtung 60 wirkungsmäßig gekoppelt. In einer Ausführungsform ist die Dämpfungsvorrichtung 60 mit einer Außenfläche 62 des Einsatzes 44 gekoppelt sowie für Ausführungsformen, die die Hülse 46 enthalten, zwischen dem Einsatz 44 und der Hülse 46 eingekoppelt. Alternativ kann die Dämpfungsvorrichtung 60 mit einem äußeren Abschnitt der Hülse 46 gekoppelt sein. Unabhängig von der genauen Lage der Ankopplung der Dämpfungsvorrichtung 60 an das Übergangsstück 42 kann die Dämpfungsvorrichtung 60 das Übergangsstück 42 entlang eines axialen Abschnitts des Übergangsstücks 42 teilweise umgeben oder vollständig umgeben.
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In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Dämpfungsvorrichtung 60 einen Resonator auf, der von einer elektromagnetischen oder einer mechanischen Bauart sein kann. Der Resonator zeigt Resonanz oder resonantes Verhalten, d.h. er führt eine Eigenschwingung bei einigen Frequenzen, die als seine Resonanzfrequenzen bezeichnet werden, mit größerer Amplitude als bei anderen aus. Die Resonanzfrequenzen können eingerichtet sein, um die gesamten Druckschwankungen, die sich in der Nähe des Luftauslassabschnittes 40 zeigen, durch Reduktion der Amplitude der Druckschwingungsbäuche zu dämpfen.
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Die Dämpfungsvorrichtung 60 kann ferner wenigstens ein, jedoch gewöhnlich mehrere Kühllöcher 70 zur Leitung einer Kühlströmung 64 zu der Außenfläche 62 des Einsatzes 44 (3) enthalten. Die Kühlströmung 64 wird gewöhnlich als verdichtete Luft von dem Verdichter 12 geliefert und wird in einem Ringraum 68 zwischen dem Einsatz 44 und der Hülse 46 geleitet.
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Wie in dem Ablaufdiagramm nach 4 veranschaulicht, und bezugnehmend auf die 1–3, ist ferner ein Verfahren zur Reduktion von Druckschwankungen einer Verbrennungsanordnung 100 geschaffen. Die Gasturbine 10 und insbesondere die Verbrennungsanordnung 14 sowie zugehörige Komponenten sind vorstehend beschrieben, so dass spezielle strukturelle Komponenten nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben werden müssen. Das Verfahren zur Reduktion von Druckschwankungen einer Verbrennungsanordnung 100 enthält ein Leiten einer Strömung verbrannter Gase durch einen Übergangsbereich eines Übergangsstücks von einem Verbrennungsabschnitt zu einem Luftauslassabschnitt 102. Innerhalb des Übergangsstücks werden Druckschwankungen mit einer Dämpfungsvorrichtung gedämpft, die mit dem Übergangsstück in der Nähe des Luftauslassabschnittes 104 wirkungsmäßig verbunden ist.
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Während die Erfindung im Einzelnen in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben ist, sollte ohne Weiteres verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Veränderungen, Modifizierungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Umfang der Erfindung entsprechen. Außerdem soll verstanden werden, dass, während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Dementsprechend 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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Eine Verbrennungsanordnung enthält einen Verbrennungsabschnitt. Ferner ist ein Luftauslassabschnitt stromabwärts von dem Verbrennungsabschnitt enthalten. Ferner ist ein Übergangsbereich enthalten, der zwischen dem Verbrennungsabschnitt und dem Luftauslassabschnitt angeordnet ist. Noch weiter ist ein Übergangsstück enthalten, das den Verbrennungsabschnitt und den Übergangsbereich definiert, wobei das Übergangsstück konfiguriert ist, um eine Strömung verbrannter Gase von dem Verbrennungsabschnitt zu dem Luftauslassabschnitt zu führen. Ferner ist eine Dämpfungsvorrichtung enthalten, die mit dem Übergangsstück in der Nähe des Luftauslassabschnittes wirkungsmäßig gekoppelt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 12
- Verdichter
- 14
- Verbrennungsanordnung
- 16
- Endabdeckungsanordnung
- 18
- Verbrennungsabschnitt
- 20–22
- Düsen
- 24
- Turbine
- 26–28
- mehrere Stufen
- 30
- Rotor
- 32
- Kopfende
- 34
- Strömung verbrannter Gase
- 36
- Übergangsbereich
- 40
- Luftauslassabschnitt
- 42
- Übergangsstück
- 44
- Einsatz
- 46
- Hülse
- 48
- erste Stufe
- 50
- mehrere Schaufelblätter
- 52
- Strömungsbereich mit Durchflussbegrenzung
- 60
- Dämpfungsvorrichtung
- 62
- Außenfläche
- 64
- Kühlströmung
- 70
- mehrere Kühllöcher
- 100
- Verfahren zur Reduktion von Druckschwankungen einer Verbrennungsanordnung
- 102
- Leiten einer Strömung verbrannter Gase durch einen Übergangsbereich eines Übergangsstücks von einem Verbrennungsabschnitt zu einem Luftauslassabschnitt
- 104
- Druckschwankungen werden innerhalb des Übergangsstücks mit einer Dämpfungsvorrichtung gedämpft, die mit dem Übergangsstück in der Nähe des Luftauslassabschnittes wirkverbunden ist
