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Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für einen Brenner mit reduziertem NOx-Ausstoß, umfassend: eine zentral angeordnete erste Mischeinrichtung zur Abgabe eines ersten Brennstoff-Luftgemischs in eine Primärflammenzone, wobei die erste Mischeinrichtung wenigstens eine erste Brennstoffdüse und eine Stauscheibe aufweist, und eine zweite Mischeinrichtung zur Abgabe eines zweiten Brennstoff-Luftgemischs in eine Sekundärflammenzone, die die Primärflammenzone umgibt, wobei die zweite Mischeinrichtung mehrere zweite Brennstoffdüsen aufweist. Weiter betrifft die Erfindung einen mit einer solchen Mischvorrichtung versehenen Brennerkopf sowie einen mit einem solchen Brennerkopf versehenen Brenner. Weiter betrifft die Erfindung ein mit einer solchen Mischvorrichtung, einem solchen Brennerkopf sowie einem solchen Brenner durchführbares Verbrennungsverfahren.
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Eine solche Mischvorrichtung, ein solcher Brennerkopf und ein solcher Brenner sowie damit durchführbare Verbrennungsverfahren sind aus den folgenden Literaturstellen aus dem Stand der Technik bekannt:
- D1 EP 0 913 631 A2 ,
- D2 Firmendruckschrift „Weishaupt WKGL70 dual fuel burner Version 3LN (Low Nox) multiflam®“, Weishaupt Corporation, Mississauga, Print No. 83204616, März 2004,
- D3 Firmendruckschrift „Weishaupt monarch® WM-GL10 multiflam®“, Druck-Nr 83192001, März 2009, und
- D4 Firmendruckschrift „Weishaupt Produkt Information über Öl-, Gas- und Zweistoffbrenner“, Druck-Nr. 83211401, November 2015
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In den vorerwähnten Druckschriften sind Brenner mit Brennerköpfen und darin untergebrachter Mischvorrichtung bekannt, die eine erste Mischeinrichtung zur Versorgung einer zentralen Primärflamme mit einem ersten Brennstoff-Luftgemisch und eine zweite Mischeinrichtung zum Versorgen einer Sekundärflamme mit einem zweiten Brennstoff-Luftgemisch aufweisen und eine Verbrennung mit besonders niedriger Stickstoffoxiderzeugung ermöglichen. Es wird für weitere Einzelheiten zu dem Wirkprinzip und dem Aufbau der bekannten Brenner und Brennerköpfe ausdrücklich auf die vorerwähnten Druckschriften D1 bis D3 verwiesen. Insbesondere wird eine zentrale Primärflamme stauscheibengestützt erzeugt, wobei ein Großteil der Brennerleistung über eine äußere Sekundärflamme bewerkstelligt wird. Die Primärflamme stabilisiert die Verbrennung während, über die Sekundärflamme eine brennrauminterne Abgasrückführung ermöglicht wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, eine Verbrennung unter noch niedrigerer Stickstoffoxiderzeugung auch bei besonders hohen Brennerleistungen zu ermöglichen.
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Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Mischvorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch. Weiter schafft die Erfindung einen mit einer derartigen Mischvorrichtung versehenen Brennerkopf sowie einen damit versehenen Brenner gemäß den weiteren Nebenansprüchen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem Aspekt schafft die Erfindung eine Mischvorrichtung für einen Brenner mit reduzierter NOx-Erzeugung, umfassend:
- eine zentral angeordnete erste Mischeinrichtung zur Erzeugung eines ersten Brennstoff-Luftgemischs für eine Primärflammenzone, wobei die erste Mischeinrichtung wenigstens eine erste Brennstoffdüse und eine Stauscheibe aufweist,
- eine zweite Mischeinrichtung zur Erzeugung eines zweiten Brennstoff-Luftgemischs für eine Sekundärflammenzone, die die Primärflammenzone (120) umgibt, wobei die zweite Mischeinrichtung mehrere zweite Brennstoffdüsen aufweist,
- eine Sperrluft-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Sperrluftstroms in einer Sperrluftzone, die die stromabwärts der Stauscheibe angeordnete Primärflammenzone der ersten Mischeinrichtung umgibt,
- wobei die zweite Mischeinrichtung zur Abgabe des zweiten Brennstoff-Luftgemischs in die Sekundärflammenzone, die die Sperrluftzone umgibt, ausgebildet ist,
- und eine dritte Mischeinrichtung zum Vormischen und Verdrallen eines dritten Brennstoff-Luftgemischs und zur Abgabe des vorgemischten und verdrallten dritten Brennstoff-Luftgemisches in eine Drallflammenzone, die zwischen der Sperrluftzone und der Sekundärflammenzone angeordnet ist.
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Die Stauscheibe kann ein gesondertes Teil sein oder ein Bereich eines größeren Körpers oder einer Konstruktion.
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Vorzugsweise in Draufsicht entgegen einer im Betrieb der Mischvorrichtung vorherrschenden Luftströmungsrichtung, die vorzugsweise im Wesentlichen in einer Axialrichtung eines Brennerrohres eines Brennerkopfes strömt, eine ringförmige Anordnung der Mischeinrichtungen vorgesehen, wobei die erste Mischeinrichtung im Zentrum, die zweite Mischeinrichtung außen und die dritte Mischeinrichtung dazwischen vorgesehen ist. Vorzugsweise ist zwischen der ersten und der dritten Mischeinrichtung die Sperrluft-Erzeugungseinrichtung angeordnet. Diese bevorzugte Anordnung betrifft die Anordnung in Radialrichtung gesehen, in Axialrichtung können die Einrichtungen versetzt zueinander sein.
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Es ist bevorzugt, dass die dritte Mischeinrichtung, insbesondere radial, zwischen der Sperrluft-Erzeugungseinrichtung und der zweiten Mischeinrichtung angeordnet ist und einen Drallerzeuger sowie wenigstens eine dritte Brennstoffdüse aufweist, die stromaufwärts des Drallerzeugers in einer Vormischzone angeordnet ist, durch die ein Luftstrom zu dem Drallerzeuger fließt, um Brennstoff aus der dritten Brennstoffdüse vor der Drallerzeugung mit dem Luftstrom vorzumischen.
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Es ist bevorzugt, dass eine Stauscheibenkonstruktion vorgesehen ist, die von einem Zentrum der Mischvorrichtung (10) nach außen gesehen in dieser Reihenfolge
- a) die Stauscheibe mit wenigstens einer Öffnung für die erste Brennstoffdüse,
- b) einen Sperrluftkanal zum Erzeugen des Sperrluftstroms;
- c) den Drallerzeuger und
- d) eine Leiteinrichtung zur Begrenzung eines äußeren Luftspalts für die zweite Mischeinrichtung),
aufweist.
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Der Sperrluftkanal ist vorzugsweise mit wenigstens einer ersten Trennwand zum Trennen des Sperrluftstroms gegenüber der Primärflammenzone versehen.
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Der Sperrluftkanal ist vorzugsweise mit einer zweiten Trennwand zum Trennen des Sperrluftstroms gegenüber dem Ausgang des Drallerzeugers versehen.
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Es ist bevorzugt, dass die Stauscheibe zur Erzeugung eines Dralls in der Primärflammenzone ausgebildet ist. Somit kann im Zentrum eine erste Drallerzeugungseinrichtung der ersten Mischeinrichtung für die Primärflammenzone vorgesehen sein, der - vorzugsweise mit der Sperrluft-Erzeugungseinrichtung dazwischen - durch eine zweiten Drallerzeugungseinrichtung für die dritte Mischeinrichtung umgeben ist.
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Vorzugsweise sorgt die Stauscheibe für einen (wesentlich) größeren Luftwiderstand als der Drallerzeuger und/oder der äußere Luftspalt.
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Es ist bevorzugt, dass eine Stelleinrichtung zum Vergrößern oder Verkleinern eines Luftspalts vorgesehen ist, wobei die Stelleinrichtung dazu ausgebildet ist, die Größe des Luftspalts abhängig von einem Lastbetriebszustand zu verändern.
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Vorzugsweise ist die Stelleinrichtung dazu eingerichtet, die axiale Lage zumindest eines Teils der ersten Mischeinrichtung und/oder der Sperrluft-Erzeugungseinrichtung und/oder des Drallerzeugers und/oder einer Luftleiteinrichtung zu verändern.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für einen Brenner mit reduzierter NOx-Erzeugung, umfassend:
- eine zentral angeordnete erste Mischeinrichtung zur Erzeugung eines ersten Brennstoff-Luftgemischs für eine Primärflammenzone, wobei die erste Mischeinrichtung wenigstens eine erste Brennstoffdüse und eine Stauscheibe aufweist, eine zweite Mischeinrichtung zur Erzeugung eines zweiten Brennstoff-Luftgemischs für eine Sekundärflammenzone, die die Primärflammenzone vorzugsweise ringförmig umgibt, wobei die zweite Mischeinrichtung mehrere zweite Brennstoffdüsen aufweist, eine Sperrluft-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Luftsperrstroms in einer Luftsperrstromzone, die die stromabwärts der Stauscheibe angeordnete Primärflammenzone der ersten Mischeinrichtung vorzugsweise ringförmig umgibt, wobei die zweite Mischeinrichtung zur Abgabe des zweiten Brennstoff-Luftgemischs in die Sekundärflammenzone, die die Sperrluftzone vorzugsweise ringförmig umgibt, ausgebildet ist und wobei die zweite Mischeinrichtung vorzugsweise ringförmig um die Sperrluft-Erzeugungseinrichtung herum angeordnet ist, und eine dritte Mischeinrichtung, die radial zwischen der Sperrluft-Erzeugungseinrichtung und der zweiten Mischeinrichtung angeordnet ist und einen Drallerzeuger sowie wenigstens eine dritte Brennstoffdüse aufweist, die stromaufwärts des Drallerzeugers in einer Vormischzone angeordnet ist, durch die ein Drallluftstrom zu dem Drallerzeuger fließt, um Brennstoff aus der dritten Brennstoffdüse vor der Drallerzeugung mit dem Drallluftstrom vorzumischen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Mischvorrichtung umfasst eine Brennstoffversorgungseinrichtung zum Versorgen der ersten, zweiten und dritten Mischeinrichtung mit Brennstoff, wobei die Brennstoffzufuhr derart steuerbar ist, dass das Mengenverhältnis des zu der zweiten und dritten Mischeinrichtung gelieferten Brennstoffs veränderbar ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Mischvorrichtung umfasst eine Brennstoffversorgungssteuerung zum Steuern der Brennstoffversorgungseinrichtung, wobei die Brennstoffversorgungssteuerung derart ausgebildet ist, dass eine Brennstoffzufuhr zu der dritten Mischeinrichtung in einem Teillastbetrieb gedrosselt oder geschlossen ist und in einem Volllastbetrieb geöffnet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Brennstoffversorgungseinrichtung ein Steuerventil zum Verändern eines Strömungsquerschnitts einer Brennstoffversorgungsleitung der wenigstens einen dritten Brennstoffdüse aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass eine Stelleinrichtung zum Verändern der axialen Lage zumindest eines Teils der ersten Mischeinrichtung und/oder der Sperrluft-Erzeugungseinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die axiale Lage abhängig von einem Lastbetriebszustand zu verändern.
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Es ist bevorzugt, dass das Steuerventil mit der Stelleinrichtung gekoppelt ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Sperrluft-Erzeugungseinrichtung einen Ringkörper mit einem Ringkanal für die Sperrluft aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass der Ringkanal an einem Stauscheiben-Ringkörper ausgebildet ist, der die Stauscheibe und den Ringkörper bildet.
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Es ist bevorzugt, dass der Drallerzeuger einen um den Ringkanal herum angeordneten Drallerzeugungsring mit einer ringförmigen Anordnung von Drallerzeugungsschaufeln aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass der Drallerzeugungsring an dem Ringkörper ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Brennerkopf für einen Brenner mit reduzierter NOx-Erzeugung, umfassend ein Brennerrohr und eine in dem Brennerrohr angeordnete Mischvorrichtung gemäß einer der voranstehend erläuterten Ausgestaltungen.
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Es ist bevorzugt, dass der äußere Luftspalt zum Abgeben des zweiten Brennstoff-Luftgemisches der zweiten Mischeinrichtung außenseitig durch einen Bereich des Brennerrohres begrenzt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Brenner mit einer Mischvorrichtung gemäß einer der voranstehend erläuterten Ausgestaltungen und/oder einem Brennerkopf wie zuvor erläutert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes mit reduzierter NOx-Erzeugung, umfassend:
- Erzeugen einer zentralen Primärflamme in einer zentralen Primärflammenzone mittels einer ersten zentralen Brennstoffdüse und einer Stauscheibe;
- Erzeugen einer Sekundärflamme in einer äußeren Sekundärflammenzone, die die Primärflammenzone vorzugsweise ringförmig umgibt,
- Erzeugen eines Sperrluftstroms, der die Primärflammenzone vorzugsweise ringförmig umgibt, zwischen der Primärflammenzone und der Sekundärflammenzone, und
- Vormischen von Brennstoff und Luft in einer Vormischzone, Verdrallen des vorgemischten Brennstoff-Luftgemisches und Abgabe des verdrallten vorgemischten Brennstoff-Luftgemisches in eine Drallluftzone, die zwischen dem die Primärflammenzone umgebenden Sperrluftstrom und der Sekundärflammenzone angeordnet ist.
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Vorzugsweise wird das Verfahren durchgeführt mit einer Mischvorrichtung gemäß einer der voranstehend erläuterten Ausgestaltungen, einem Brennerkopf oder einem Brenner gemäß einer der voranstehend erläuterten Ausgestaltungen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch Kombination eines oder mehrere der vorerwähnten Ausgestaltungen mit Merkmalen aus den Druckschriften D1, D2, D3 und D4.
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Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine Querschnittsdarstellung mittig durch eine Ausführungsform einer Mischvorrichtung für einen Brenner mit reduzierter NOx-Erzeugung;
- 2 eine perspektivische Darstellung der Mischvorrichtung von 1;
- 3 eine Schnittdarstellung durch einen Brennerkopf mit der Mischvorrichtung von 1 mit einer Erläuterung von unterschiedlichen Flammenzonen im Betrieb des mit dem Brennerkopf versehenen Brenners;
- 4 eine Schnittdarstellung durch den Brennerkopf in einer Einstellung für eine Teillast;
- 5 die Darstellung der 4 bei einer Einstellung für eine Volllast;
- 6 eine perspektivische Darstellung der Mischvorrichtung in der Teillasteinstellung von 4; und
- 7 die perspektivische Darstellung vergleichbar der 6 in einer Volllasteinstellung wie in 5.
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In den 1 und 2 ist eine Mischvorrichtung 10 für einen Brenner mit reduzierter NOx-Erzeugung dargestellt, die, wie in den 3 bis 5 dargestellt, in einem Brennerrohr 12 eines Brennerkopfes 14 eines Brenners 16 anzuordnen ist.
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Die Mischvorrichtung 10 weist eine erste Mischeinrichtung 18, eine zweite Mischeinrichtung 20 und eine dritte Mischeinrichtung 22 sowie eine Sperrluft-Erzeugungseinrichtung 24 und eine Brennstoffversorgungseinrichtung 26 auf.
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Die Brennstoffversorgungseinrichtung 26 weist eine zentrale Brennstoffversorgungszufuhr 28, insbesondere eine Gaszuleitung 30, auf, von der sich eine erste Brennstoffversorgungsleitung 32 zum Versorgen der ersten Mischeinrichtung 18 mit Brennstoff, eine zweite Brennstoffversorgungsleitung 34 zum Versorgen der zweiten Mischeinrichtung 20 mit Brennstoff und eine dritte Brennstoffversorgungsleitung 36 zum Versorgen der dritten Mischeinrichtung 22 mit Brennstoff abzweigen.
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Die erste Mischeinrichtung 18 weist wenigstens eine erste Brennstoffdüse 38 und eine Stauscheibe 40 auf. Die wenigstens eine erste Brennstoffdüse 38 kann im Zentrum angeordnet sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Brennstoffdüse 38 Teil einer ersten Brennstoffdüseneinheit 39 mit mehreren ersten Brennstoffdüsen 38 (z.B. drei erste Brennstoffdüsen, es gehen auch zwei, vier, fünf oder sechs), die durch Öffnungen 50, welche in Umfangsrichtung gleichmäßig in einem mittleren Bereich der Stauscheibe 40 verteilt sind, Brennstoff abgeben.
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Weiter ist an der ersten Mischeinrichtung 18 eine Zündvorrichtung 37 vorgesehen, um das durch die erste Mischeinrichtung 18 erzeugte erste Brennstoff-Luftgemisch zu zünden.
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Die erste Brennstoffdüse 38 ist an die erste Brennstoffversorgungsleitung 32 angeschlossen, die sich linear und zentral durch die Mischvorrichtung 10 erstreckt. An dem dem Brennraum zugewandten Ende der ersten Brennstoffversorgungsleitung 32 ist hierzu ein Tragkörper 42 angeordnet, von dem aus mit Öffnungen für eine Lufteintritt versehene Brennstoffleitungszweige der ersten Brennstoffdüsen 38 zu den Öffnungen 50 in der Stauscheibe führen.
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Die Stauscheibe 40 weist einen äußeren Ringflansch 44, einen Scheibenbereich 45 und mehrere sich radial erstreckende schräg angeordnete Schaufeln 46 auf, die durch Ausklinkung aus dem Scheibenbereich gebildet sind. Die Stauscheibe 40 hat eine zentrale Öffnung 48 und die mehreren weitere Öffnungen 50 für die ersten Brennstoffdüsen 38 in einigen der Schaufeln 46 oder dem Scheibenbereich 45.
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Die Sperrluft-Erzeugungseinrichtung 24 weist einen Ringkörper 52 auf, der sich axial von der Stauscheibe 40 stromabwärts, d.h. nach links in 1, und im Betrieb in Richtung Brennraum erstreckt und eine innere Wandung 54 und eine äußere Wandung 56 aufweist, zwischen denen ein Ringkanal 58 gebildet ist. Der Ringkanal 58 ist in radialer Richtung außerhalb der Stauscheibe 40 angeordnet, d.h. in Draufsicht von links in 1 gesehen, umgibt der Ringkanal 58 die Stauscheibe 40. Mit anderen Worten ist die Sperrluft-Erzeugungseinrichtung 24 in radialer Richtung gesehen um die erste Mischeinrichtung 18 herum angeordnet. Der Ringkanal 58 hat einen sich in stromabwärtiger Richtung verjüngenden Bereich 60 und einen sich in stromabwärtiger Richtung und schräg nach außen gerichteten Mündungsbereich 62. Durch den sich verjüngenden Bereich ist eine Venturi-Düse zur Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit der Sperrluft geschaffen, welche durch den Mündungsbereich 62 leicht schräg nach außen gerichtet abgegeben wird.
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Die Wandungen 54 und 56 bilden gleichzeitig in Strömungsrichtung, d.h. im Betrieb in den Brennraum vorstehende Trennwände zum Trennen des Mündungsbereiches der ersten Mischeinrichtung 18 von dem Mündungsbereich der dritten Mischeinrichtung 20.
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Der Ringkörper 52 und die Stauscheibe 40 können an einem gemeinsamen Bauteil - einem Stauscheiben-Ringkörper 64 - ausgebildet sein oder getrennt ausgeführt sein. Vorzugsweise sind sie miteinander verbunden und gemeinsam an dem Tragkörper 42 mittels Streben 66 befestigt. Der Ringkörper und die Stauscheibe sind somit Teil einer Stauscheibenkonstruktion 132, die hiernach noch näher erläutert wird.
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Die zweite Mischeinrichtung 20 weist mehrere um die erste Mischeinrichtung 18 herum in gleichmäßigem Abstand angeordnete Brennstoffdüseneinheiten 68 mit jeweils wenigstens einer zweiten Brennstoffdüse 70 auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Brennstoffdüseneinheit 68 mehrere zweite Brennstoffdüsen 70 auf, die z.B. nebeneinander angeordnet sind. Z.B. sind zwei zweite Brennstoffdüsen 70 pro Brennstoffdüseneinheit 68 vorgesehen, wobei z.B. drei Brennstoffdüseneinheiten 68 vorgesehen sind. Jede Brennstoffdüseneinheit 68 ist mit einer zweiten Brennstoffversorgungsleitung 34 verbunden, welche eine Gabelung 72 aufweist, um die mehreren zweiten Brennstoffdüsen 70 jeder Brennstoffdüseneinheit 68 mit Brennstoff zu versorgen. Die Mündungen der zweiten Brennstoffdüsen 70 sind stromabwärts und schräg nach außen gerichtet.
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Die dritte Mischeinrichtung 22 ist radial zwischen der außen angeordneten zweiten Mischeinrichtung 20 und der Sperrluft-Erzeugungseinrichtung 24 angeordnet und weist mehrere dritte Brennstoffdüsen 74 - oder in nicht dargestellten Ausgestaltungen mehrere dritte Brennstoffdüseneinheiten jeweils mit mehreren dritten Brennstoffdüsen 74 - auf, wobei die dritten Brennstoffdüsen 74 bzw. die diese aufweisenden dritten Brennstoffdüseneinheiten vorzugsweise gleichmäßig beabstandet um die zentrale erste Mischeinrichtung 18 herum verteilt angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel sind z.B. drei dritte Brennstoffdüsen 74 vorgesehen, es können auch zwei, vier, fünf oder mehr sein.
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Weiter weist die dritte Mischeinrichtung 22 einen Drallerzeuger 76 auf. Die dritten Brennstoffdüsen 74 sind mit Abstand stromaufwärts des Drallerzeugers 76 angeordnet, so dass zwischen den dritten Brennstoffdüsen 74 und dem Drallerzeuger 76 eine Vormischzone 78 gebildet ist.
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Der Drallerzeuger 76 weist eine ringförmige Anordnung 82 von Drallerzeugungsschaufeln 88 auf. Die Anordnung 82 weist einen inneren Tragring 84 und einen äußeren Tragring 86 auf, zwischen denen die einzelnen Drallerzeugungsschaufeln 80 sich in radialer Richtung und schräg zur Strömungsrichtung gerichtet erstrecken.
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Der Drallerzeuger 76 ist in radialer Richtung gesehen um die Sperrluft-Erzeugungseinrichtung 24 herum angeordnet.
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Vorzugsweise ist der Drallerzeuger 76 Teil der Stauscheibenkonstruktion 132. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drallerzeuger 76 an dem Ringkörper 52 der Sperrluft-Erzeugungseinrichtung 24 ausgebildet oder außen befestigt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der innere Tragring 84 durch die äußere Wandung 56 des Ringkörpers 52 gebildet, wobei der äußere Tragring 86 gleichzeitig eine Leiteinrichtung 88 für Verbrennungsluft für die zweite Mischeinrichtung 20 bildet. In anderen nicht näher dargestellten Ausführungen ist die Leiteinrichtung 88 als gesondertes Element vorgesehen.
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Die Leiteinrichtung 88 weist einen sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckenden Ringbereich 90 und einen sich schräg nach außen erstreckenden Ringbereich 92 am stromabwärts gerichteten Ende auf.
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Weiter weist die Mischvorrichtung 10 eine Stützkonstruktion 94 zur Befestigung der Mischeinrichtung 10 in dem Brennerrohr 12 auf. Die Stützkonstruktion 94 weist einen stationären zentralen rohrförmigen Stützkörper 96 auf, der an seinem stromaufwärts gerichteten Ende an der Brennstoffversorgungszufuhr 28 befestigt ist und eine Leitungsverzweigung 98 zum Aufteilen des Brennstoffs auf die Brennstoffversorgungsleitungen 32, 34, 36 aufweist.
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Die zentral angeordnete erste Brennstoffversorgungsleitung 32 ist durch ein Rohr gebildet, welches innerhalb des Stützkörpers 96 verschiebbar aufgenommen ist. An der den Tragkörper 42, die erste Brennstoffversorgungsleitung 32, und zumindest die Leitvorrichtung 88 aufweisenden verschiebbaren Zentraleinheit 99 greift eine Stelleinrichtung 100 an, mittels der sich die axiale Lage der Zentraleinheit 99 verändern lässt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die verschiebbare Zentraleinheit 99 auch die Stauscheibenkonstruktion 132 mit der Stauscheibe 40, dem Ringkörper 52 für dem Ringkanal 58 und dem Drallerzeuger 76, an dem die Leiteinrichtung 88 angeordnet oder ausgeformt ist.
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Das stromaufwärts gerichtete Ende des Stützkörpers 96 ist mittels Befestigungsstreben 102 festlegbar.
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An der Leitungsverzweigung 98 ist ein Steuerventil 104 vorgesehen, mit dem sich eine Brennstoffzufuhr zu zumindest einer der Mischeinrichtungen 18, 20, 22, hier z.B. zu der dritten Mischeinrichtung 22, oder zu einem Teil einer der Mischeinrichtungen 20, 22 drosseln oder zuschalten oder abschalten lässt.
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Bei der hier dargestellten Ausführungsform steuert das Steuerventil 104 die Brennstoffzufuhr zu der dritten Mischeinrichtung 22. Bei anderen Varianten steuert das Steuerventil 104 die Brennstoffzufuhr zu einer Untergruppe der zweiten Brennstoffdüsen 74, während eine verbleibende Gruppe der zweiten Brennstoffdüsen 74 von dem Steuerventil 104 unbeeinflusst bleibt. Bei anderen Varianten sind mehrere Steuerventile 104 vorgesehen, vorzugsweise derart, dass sie gemeinsam angesteuert werden.
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Das Steuerventil 104 weist bei der dargestellten Ausführungsform ein an das stromaufwärts gerichtete Ende der ersten Brennstoffversorgungsleitung 32 befestigtes Stellelement 106 sowie je einen Verschlusskörper 107, hier in Form eines Vorsprungs mit sich verjüngender Spitze, pro zu steuernder Brennstoffversorgungsleitung 36 auf, der sich durch Verschiebung des Stellelements 106 in axialer Richtung in die Eintrittsöffnung 108 der jeweiligen dritten Brennstoffversorgungsleitung 36 hineinbewegen lässt, um den Strömungsquerschnitt der dritten Brennstoffversorgungsleitung 36 zu verringern oder die Eintrittsöffnung 108 ganz zu verschließen und sich bei Verschiebung in umgekehrter Richtung aus der Eintrittsöffnung 108 herausbewegen lässt, um den Strömungsquerschnitt der dritten Brennstoffversorgungsleitung 36 zu vergrößern, bis in der anderen Einstellung die Eintrittsöffnung 108 ganz freigegeben ist.
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Die Stelleinrichtung 100 weist eine Schubstange 110 auf, die in nicht dargestellter Weise mit dem Tragkörper 42 verbunden ist, um die zentrale Einheit der Mischvorrichtung axial zu verschieben. Diese axiale Verschiebung bewirkt gleichzeitig die Verstellung des Stellelements 106 des Steuerventils 104. Die Schubstange 110 ist im Betrieb an einen nicht dargestellten Aktuator, beispielsweise einen mit einem Stellmotor betätigten Hebel, angeschlossen, welcher wiederum durch eine nicht dargestellte Brennstoffversorgungssteuerung zum Steuern der Brennstoffversorgungseinrichtung 26 ansteuerbar ist.
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Die 3 bis 5 zeigen den Brennerkopf 14 des Brenners 16, wobei die Mischvorrichtung 10 in dem Brennerrohr 12 des Brennerkopfes 14 untergebracht ist. Der Brenner 16 ist ein Gebläsebrenner mit hier nicht dargestelltem Gebläse, welches für einen Luftstrom von Verbrennungsluft durch das Brennerrohr 12 in axialer Richtung von rechts in 3 gesehen nach links in 3 gesehen sorgt. Somit ist das gesamte Brennerrohr 12 im Betrieb durch einen starken axial gerichteten Luftstrom beaufschlagt.
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Das Gebläse ist ebenfalls durch eine Steuerung gesteuert, um je nach Last die Stärke des Luftstroms einzustellen. Verjüngungen im Bereich des Luftstromweges dienen als Venturi-Einrichtungen zum lokalen Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit.
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Das Brennerrohr 12 ist im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet und weist eine erste Verjüngungsstelle 112 in einem mittleren Bereich und eine zweite Verjüngungsstelle 114 am Brennraum gerichteten Endbereich auf. An den Verjüngungsstellen 112 ist die Wandung 116 des Brennerrohres in stromabwärtiger Richtung gesehen schräg nach innen verlaufend ausgebildet. Weiter ist an dem stromabwärtigen Ende ein nach innen stehender ringförmiger Endflansch 116 ausgebildet, dessen innerer Rand die Brennrohröffnung 118 definiert bzw. bildet. Die Brennraumöffnung 118 ist größer als der Außendurchmesser des brennraumseitigen Endes oder Rands der Leiteinrichtung 88. Somit ist zwischen dem Endflansch 116 und dem Rand der Leiteinrichtung 88 ein äußerer Luftspalt in Form eines Ringspalts 119 gebildet, der zur Abgabe des durch die zweite Mischeinrichtung 20 erzeugten zweiten Brennstoff-Luftgemischs gebildet dient. Die zweiten Brennstoffdüsen 70 münden stromaufwärts dieses Ringspalts 119 nahe der zweiten Verjüngungsstelle, so dass durch die hier herrschende hohe Luftströmung eine gute Vermischung des Brennstoffes aus den zweiten Brennstoffdüsen 70 mit Verbrennungsluft gegeben ist.
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Durch die hier gezeigte Konstruktion der Mischvorrichtung 10 wird im Bereich der Brennraumöffnung 118 die Verbrennungsluft aufgeteilt, wobei in einem zentralen Bereich Verbrennungsluft durch die Stauscheibe 40 gestaut wird und durch die zentrale Öffnung 48, durch Schlitze zwischen den Schaufeln 46 und durch einen inneren Ringspalt zwischen dem Ringflansch 44 und dem Ringkörper 52 fließt. Durch die Schaufeln 46 wird dieser Luftstrom verdrallt. Diesem Teil der Verbrennungsluft wird vorzugsweise gasförmiger Brennstoff durch die wenigstens eine erste Brennstoffdüse 38 zugegeben, so dass sich in einem zentralen Bereich, der in radialer Richtung gesehen durch den Innenraum des Ringkörpers 52 definiert wird, eine Primärflamme ausbildet, so dass dieser Bereich als Primärflammenzone 120 bezeichnet wird. Zum Betriebsstart des Brenners erfolgt an dieser Primärflammenzone 120 die Zündung mit Hilfe der Zündvorrichtung 37.
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Durch die zweite Mischeinrichtung 20 wird über die zweiten Brennstoffdüsen 70 Brennstoff in einem äußeren Ringbereich des Verbrennungsluftstromes zugemischt, so dass das so entstehende zweite Brennstoff-Luftgemisch durch den äußeren Ringspalt 119 zwischen dem Endflansch 116 und der Leiteinrichtung 88 hindurchtritt, um in einer Sekundärflammenzone 122, die sich außenseitig ringförmig um die Primärflammenzone 120 erstreckt, eine Sekundärflamme zu erzeugen. Die Zündung der Sekundärflamme erfolgt über die Primärflamme. Hierzu ist in einem Teillastbereich die Stauscheibenkonstruktion 132 weiter in den Brennraum verschoben, so dass sich die Primärflammenzone weiter in den Brennraum hinein erstreckt und die Primärflamme für eine sichere Stützung der Sekundärflamme sorgt.
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Insbesondere in einem Vollastbereich wird durch die dritte Mischeinrichtung 22 Brennstoff durch die dritten Brennstoffdüsen 74 in der Vormischzone 78 mit der sich dort befindlichen Verbrennungsluft vorgemischt, um ein drittes Brennstoff-Luftgemisch zu erzeugen, welches durch den Drallerzeuger 76 verdrallt wird und im verdrahten Zustand in eine Drallflammenzone 124 abgegeben wird, um hier eine Vormisch-Drallflamme zu erzeugen.
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Durch die Sperrluft-Erzeugungseinrichtung wird Sperrluft in eine Sperrluftzone 126 abgegeben, die ringförmig die Primärflammenzone 120 umgibt und zwischen der Primärflammenzone 120 und der Drallflammenzone 124 angeordnet ist.
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Wie aus 3 ersichtlich, bilden sich so im Betrieb an dem Brennraum zugewandten Ende des Brennerkopfes 14 mehrere unterschiedliche Zonen wie folgt aus:
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In einem zentralen Bereich wird eine stauscheibengestützte Primärflamme in einer zentralen Primärflammenzone 120 gebildet; diese wird durch eine ringförmige Sperrluft in der Sperrluftzone 126 geschützt und gestützt, welche durch eine Drallflammenzone 124 umgeben ist, in der sich eine Vormisch-Drallflamme ausbildet. Um die Drallflammenzone 124 herum ist außenseitig eine Sekundärflammenzone 122 ausgebildet, in der eine Sekundärflamme gebildet wird.
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Durch die Vormisch-Drallflamme lässt sich bei hohen Brennerlasten ein günstigeres Mischverhältnis von Brennstoff zu Luft erreichen; wobei die Sekundärflammenzone 122 gleichzeitig für eine brennrauminterne Abgaszirkulation sorgt.
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Als zusätzliche Maßnahme kann eine interne Abgaszirkulation vorgesehen sein. Hierzu kann Abgas aus dem Brennraum der Luftzufuhr des Brenners zugemischt werden, so dass sich bereits in dem durch das Gebläse erzeugten Luftstrom in dem Brennerrohr ein Abgasanteil befindet.
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Durch die Maßnahmen der Flammenstützung, insbesondere die Sperrluft sowie die Vormisch-Drallflamme, lässt sich eine größere Flammenstabilität erreichen, so dass ein höherer Anteil an Abgas zugemischt werden kann und somit die Flammentemperatur gesenkt werden kann.
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Die 4 und 6 zeigen eine Einstellung des Brennerkopfes 14 sowie der Mischvorrichtung 10 für einen Teillastbetrieb, während die 5 und 7 eine Einstellung für einen Volllastbetrieb zeigen.
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Für einen Teillastbetrieb wird über die Brennstoffversorgungssteuerung die Stelleinrichtung 100 derart betätigt, dass sich die verschiebbare zentrale Einheit 99 mit dem Tragkörper 42, dem Stauscheiben-Ringkörper 64 und dem Drallerzeuger 76 stromabwärts bewegt. In der gezeigten Endstellung ist so der äußere Ringspalt 119 zwischen der Leiteinrichtung 88 und dem Endflansch 116 verkleinert, und die Brennstoffzufuhr erfolgt nur über die erste Mischeinrichtung und die zweite Mischeinrichtung 18, 20.
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Weiter sind der Ringkörper 52 und die Stauscheibe 40 weiter in den Brennraum verlagert.
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Bei der in den 5 und 7 gezeigten Volllaststellung ist dagegen die Brennstoffzufuhr auch zu der dritten Mischeinrichtung 22 geöffnet und der Ringspalt 119 für die zweite Mischeinrichtung 20 vergrößert. Außerdem sind der Ringkörper 52 und die Stauscheibe 40 mehr innerhalb des Brennerrohres 12 angeordnet.
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Bei der Brennstoffversorgungszufuhr 28 zweigen von einem Mischgehäuse 128 der Gaszuleitung 30 als erste Brennstoffversorgungsleitung 32 eine Leitung für Primärgas, als zweite Brennstoffversorgungsleitung 34 eine Leitung für Sekundärgas und als dritte Brennstoffversorgungsleitung 36 eine Leitung für Drallgas ab, wobei die Menge des Drallgases über eine Drallgassteuerung steuerbar ist. Diese lässt sich über ein Antriebsgestänge steuern.
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In Volllast können z.B. Brennstoffmengen von Drallgas zu Sekundärgas zwischen 40:60 und 60:40 vorgesehen sein; beispielswiese ist etwa ein Mengenverhältnis von 50:50 vorgesehen.
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Ein großer Vorteil der hier gezeigten Mischvorrichtung sowie des damit durchführbaren Verbrennungsverfahrens unter Verbrennung von unterschiedlichen Zonen liegt in einer Vergrößerung der Stabilität. Damit kann man höhere Mengen an Abgas rückführen. Somit lässt sich eine geringere Flammentemperatur auch bei hohen Leistungen erzielen.
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In der Primärflamme werden vorzugsweise maximal 10% der Brennerleistung erzeugt bzw. maximal 10% des Brennstoffes verbrannt; 90% werden als Sekundärgas oder als Sekundärgas und Drallgas zugeleitet.
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Bei Volllast wird die Stauscheibenkonstruktion in den Brennerkopf 14 hinein verfahren, um einen größeren Luftdurchlass zu ermöglichen. Damit kann gleichzeitig eine Veränderung des Brennstoffmengenverhältnisses zwischen Drallgas und Sekundärgas vorgenommen werden; vorzugsweise wird in einem Teillastbetrieb die Zuführung von Drallgas zu der verdrallten Luft ganz unterbunden. Somit können die Brennstoffversorgungen zu den unterschiedlichen Mischvorrichtungen 18, 20, 22 oder Bereichen davon als Leistungsstufen des Brenners 16 genutzt werden, die je nach Lastanforderung zugeschaltet oder abgeschaltet werden können.
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In Volllast können z.B. 40-70 %, vorzugsweise 50%, des Brennstoffes in der Sekundärflamme, 30 bis 60 %, vorzugsweise 45% in der Vormisch-Drallgasflamme und 1 bis 10 %, vorzugsweise 5% in der Primärflamme verbrannt werden. Die entsprechende Brennstoffverteilung lässt sich durch relative Dimensionierung von Strömungsquerschnitten der Brennstoffversorgungsleitungen 32, 34, 36 erreichen sowie durch Aufbau von unterschiedlichen Unterdruckzonen an den unterschiedlichen Brennstoffdüsen 38, 70, 74 durch entsprechende Strömungsleitmaßnahmen und/oder Dimensionierung des Strömungswiderstands der unterschiedlichen Bereiche der Stauscheibenkonstruktion erreichen.
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Wenngleich hier als bevorzugte Ausführungsbeispiele Gasbrenner zum Verbrennen von gasförmigen Brennstoffen, wie insbesondere Erdgas, beschrieben worden sind, so ist die hier gezeigte Konstruktion auch auf andere Brennerarten, insbesondere auf Kombinationsbrenner zum Verbrennen von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen anwendbar.
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Für nähere Einzelheiten zu dem möglichen Aufbau des Brenners wird ausdrücklich auf die vorerwähnten Literaturstellen D1, D2, D3 und D4 verwiesen, die Teil der hiesigen Offenbarung darstellen. Zusätzlich ist bei einer besonderen Ausführung eine Abgasrückführungsleitung vorgesehen, die einerseits an den Brennraum und andererseits eine Luftansaugung für die Verbrennungsluft anzuschließen ist, um dem Verbrennungsluftstrom Abgas aus dem Brennraum zuzumischen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Mischvorrichtung
- 12
- Brennerrohr
- 14
- Brennerkopf
- 16
- Brenner
- 18
- erste Mischeinrichtung
- 20
- zweite Mischeinrichtung
- 22
- dritte Mischeinrichtung
- 24
- Sperrluft-Erzeugungseinrichtung
- 26
- Brennstoffversorgungseinrichtung
- 28
- Brennstoffversorgungszufuhr
- 30
- Gaszuleitung
- 32
- erste Brennstoffversorgungsleitung
- 34
- zweite Brennstoffversorgungsleitung
- 36
- dritte Brennstoffversorgungsleitung
- 37
- Zündvorrichtung
- 38
- erste Brennstoffdüse
- 39
- Brennstoffdüseneinheit
- 40
- Stauscheibe
- 42
- Tragkörper
- 44
- Ringflansch
- 45
- Scheibenbereich
- 46
- Schaufel
- 48
- zentrale Öffnung
- 50
- Öffnung in Schaufel
- 52
- Ringkörper
- 54
- innere Wandung
- 56
- äußere Wandung
- 58
- Ringkanal
- 60
- verjüngender Bereich
- 62
- Mündungsbereich
- 64
- Stauscheiben-Ringkörper
- 66
- Strebe
- 68
- Brennstoffdüseneinheit
- 70
- zweite Brennstoffdüse
- 72
- Gabelung
- 74
- dritte Brennstoffdüsen
- 76
- Drallerzeuger
- 78
- Vormischzone
- 80
- Drallschaufel
- 82
- Drallschaufelanordnung
- 84
- innerer Tragring
- 86
- äußerer Tragring
- 88
- Leiteinrichtung
- 90
- axial erstreckender Ringbereich
- 92
- schräg nach außen gerichteter Ringbereich
- 94
- Stützkonstruktion
- 96
- Stützkörper
- 98
- Leitungsverzweigung
- 99
- verschiebbare Zentraleinheit
- 100
- Stelleinrichtung
- 102
- Befestigungsstrebe
- 104
- Steuerventil
- 106
- Stellelement
- 107
- Verschlusskörper
- 108
- Eintrittsöffnung
- 110
- Schubstange
- 112
- erste Verjüngungsstelle
- 114
- zweite Verjüngungsstelle
- 116
- Endflansch
- 118
- Brennraumöffnung
- 119
- Ringspalt
- 120
- Primärflammenzone
- 122
- Sekundärflammenzone
- 124
- Drallflammenzone
- 126
- Sperrluftzone
- 128
- Mischgehäuse
- 130
- Drallgassteuerung
- 132
- Stauscheibenkonstruktion
