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Die vorgeschlagene Lösung betrifft eine Düsenbaugruppe mit wenigstens einer Düse für eine Brennkammer eines Triebwerks.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits vielfach unterschiedliche Varianten von Düsenbaugruppen zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum eines Triebwerks bekannt, so zum Beispiel aus der
EP 0 071 420 A1 oder der
US 2016/0201897 A1 . Typischerweise sind die hierbei bekannten Düsen zur Einspritzung genau eines Typs von Kraftstoff vorgesehen, beispielsweise für die Einspritzung von Kerosin. Es gibt jedoch bereits verstärkt Überlegungen, Triebwerke für ein Luftfahrzeug alternativ oder ergänzend mit anderen Typen von Kraftstoff zu betreiben, beispielsweise Wasserstoff. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, flüssigen Kraftstoff und gasförmigen Kraftstoff zeitlich zueinander versetzt, aber auch simultan in den Brennraum einzuspritzen. Müssen jedoch für die unterschiedlichen Kraftstoffe verschiedene Düsen an einer Brennkammer vorgesehen werden, erhöhen sich massiv Kosten, Gewicht und Komplexität des Einspritzsystems und einer dieses Einspritzungssystem bereitstellenden Düsenbaugruppe.
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Zwar ist grundsätzlich schon, zum Beispiel aus der
US 2016/0201897 A1 , bekannt, über eine einzelne Düse einer Düsenbaugruppe Kraftstoffe in unterschiedlichen Aggregatszuständen und auch unterschiedliche Typen von Kraftstoffen einzuspritzen. Hier bei besteht jedoch weiterhin Verbesserungsbedarf im Hinblick auf die Zuführung einer ausreichenden Menge an Mischluft an ein Düsenende der Düse sowie im Hinblick auf die Erzeugung von Luftströmungen, die auch für unterschiedliche Typen von Kraftstoffen vorteilhaft sind.
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In dieser Hinsicht schafft eine Düsenbaugruppe des Anspruchs 1 Abhilfe.
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Eine vorgeschlagene Düsenbaugruppe sieht hierbei mindestens eine Düse mit einem Düsenhauptkörper vor, der neben einem ersten zentralen sich entlang einer Düsenlängsachse erstreckenden Luftleitkanal und einem zweiten weiter radial außen liegenden Luftleitkanal mindestens eine erste Kraftstoffleitung und eine zweite Kraftstoffleitung integriert, die Kraftstoff zu unterschiedlichen Kraftstoffaustrittsöffnungen an einem Düsenende der Düse führen sollen. Mindestens eine zweite Kraftstoffaustrittsöffnung für die mindestens eine zweite Kraftstoffleitung liegt hierbei bezogen auf Düsenlängsachse radial weiter außen als mindestens eine zweite Luftaustrittsöffnung für den zweiten Luftleitkanal und eine erste Kraftaustrittsöffnung für die erste Kraftstoffleitung. Für eine Zuführung von Luft zu dem mindestens einen zweiten Luftleitkanal ist zusätzlich mindestens eine Verbindungsleitung in dem Düsenhauptkörper vorgesehen, die in einem Wandabschnitt des Düsenhauptkörpers entlang der Düsenlängsachse (zum Düsenende hin) von einem radial außen liegenden Bereich an der mindestens einen zweiten Kraftstoffleitung vorbei zu einem radial weiter innen liegenden Bereich verläuft, in dem die Verbindungsleitung mit dem mindestens einen zweiten Luftleitkanal verbunden ist.
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In einem Düsenhauptkörper einer Düse einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe ist somit eine Verbindungsleitung integriert, die bezogen auf die Düsenlängsachse nach radial innen läuft und dabei in radialer Richtung eine zweite Kraftstoffleitung passiert. Derart integriert der Düsenhauptkörper in vergleichsweise einfacher Weise eine Kraftstoff- und Luftführung innerhalb des Düsenhauptkörpers, mit der (Verbrennungs-/Misch-) Luft von außen in den zweiten Luftleitkanal geleitet werden kann, der zweite Luftleitkanal und dessen zugehörige zweite Luftaustrittsöffnung dann aber dennoch radial weiter innen positioniert werden kann als die zweite Kraftstoffaustrittsöffnung. Die aus dem zweiten Luftleitkanal am Düsenende ausströmende Luft kann somit für eine Vermischung mit dem Kraftstoff aus dem ersten, radial weiter innen liegenden Kraftstoffleitkanal als auch für eine Vermischung mit dem Kraftstoff aus dem zweiten, weiter außen liegenden Kraftstoffleitkanal zur Verfügung gestellt werden. Eine derartige Gestaltung der Düse ist dabei nicht nur für das Einspritzen von unterschiedlichen Typen von Kraftstoffen über die genau eine Düse von Vorteil, sondern auch zur Einspritzung von genau einem Typ von Kraftstoff, der über verschiedene Kraftstoffleitungen - gegebenenfalls in unterschiedlichen Aggregatszuständen - an ein Düsenende transportiert werden soll.
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In einer Ausführungsvariante ist die zweite Luftaustrittsöffnung an dem Düsenende, entlang einer bezogen auf Düsenlängsachse senkrecht verlaufenden und radial nach außen weisenden Radialrichtung, zwischen der ersten Kraftstoffaustrittsöffnung und der zweiten Kraftstoffaustrittsöffnung vorgesehen. An dem Düsenende liegt somit dann beispielsweise eine erste Luftaustrittsöffnung für den ersten Luftleitkanal zentral vor. In radial nach außen weisender Radialrichtung folgen dann die erste Kraftstoffaustrittsöffnung, die zweite Luftaustrittsöffnung und die zweite Kraftstoffaustrittsöffnung. Jede der Austrittsöffnungen kann hierbei als Ringspalt oder Ringsegmentspalt ausgebildet sein. Unter einem Ringsegmentspalt wird dabei ein sich entlang einer Kreislinie erstreckender Spalt verstanden, der einen ringsegmentförmigen Querschnitt aufweist.
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Zum Zuführen von Luft in den zweiten Luftleitkanal kann an einer äußeren Mantelfläche des Düsenhauptkörpers mindestens eine Lufteintrittsöffnung vorgesehen sein. Über diese Lufteintrittsöffnung strömt dann Luft in die mit dem zweiten Luftleitkanal verbundene Verbindungsleitung ein. Über die mindestens eine Lufteintrittsöffnung an der äußeren Mantelfläche des Düsenhauptkörpers kann somit Luft von außerhalb des Düsenhauptkörpers in die Verbindungsleitung einströmen. Die Lufteintrittsöffnung ist folglich über Verbindungsleitung mit dem zweiten Luftleitkanal verbunden, sodass unmittelbar aus einer Umgebung des Düsenhauptkörpers Luft für die zweite Luftaustrittsöffnung in die Verbindungsleitung einströmen, innerhalb des Düsenhauptkörpers die mindestens eine zweite Kraftstoffleitung passieren (d. h. an dieser zweiten Kraftstoffleitung innerhalb des Düsenhauptkörpers in radialer Richtung vorbei geführt werden kann) und zu dem zweiten Luftleitkanal gelangen kann. Die Verbindungsleitung erstreckt sich folglich von einer zugehörigen Lufteintrittsöffnung in einem radial außen liegenden Bereich zu dem mindestens einen zweiten Luftkanal und hierbei an der zweiten Kraftstoffleitung in radialer Richtung vorbei. Im Unterschied zu in der Praxis üblichen Düsen wird bei einer solchen Ausführungsvariante zusätzliche Luft für einen zweiten Luftleitkanal nicht nur an einem bezogen auf die zweite Kraftstoffleitung radial weiter außen liegenden Bereich in Richtung des Brennraums geführt. Vielmehr wird hier gezielt Luft aus einer Umgebung des Düsenhauptkörpers innerhalb des Düsenhauptkörpers so weit nach innen geführt, dass eine Luftströmung dann zwischen zwei Kraftstoffaustrittsöffnungen ausgebracht werden kann.
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In dem Düsenhauptkörper können auch mehrere (mindestens zwei) Verbindungsleitungen vorgesehen sein, die in eine Luftkammer des mindestens einen zweiten Luftkanals münden. Die Luftkammer ist folglich in dem Düsenhauptkörper ausgebildet. Von der Luftkammer aus kann Luft über einen sich anschließenden Kanalabschnitt des zweiten Luftleitkanals zu der zweiten Luftaustrittsöffnung gelangen. Der sich an die Luftkammer anschließende Kanalabschnitt kann hierbei im Querschnitt ringförmig ausgebildet sein. Analog kann die Luftkammer, in die die mehreren Verbindungsleitung münden, als Ringkammer ausgeführt sein. Insbesondere können die mehreren Verbindungsleitungen in dem Düsenhauptkörper parallel zueinander verlaufen und/oder derart, dass die Verbindungsleitungen über einen Umfang des Düsenhauptkörpers gleich verteilt und zur Düsenlängsachse symmetrisch angeordnet sind.
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Sind mehrere Verbindungsleitungen vorhanden, kann jede der mehreren Verbindungsleitungen genau einer von mehreren Lufteintrittsöffnungen an der äußeren Mantelfläche des Düsenhauptkörpers zugeordnet sein. Über die einzelnen Verbindungsleitungen werden somit einzelne Teilluftströme in eine Luftkammer des zweiten Luftleitkanals geleitet, aus dem dann die Luft im Betrieb des Triebwerks in den Brennraum eingedüst wird.
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Die mehreren (mindestens zwei) Lufteintrittsöffnungen für die mehreren Verbindungsleitungen können entlang einer Umfangsrichtung um die Düsenlängsachse an der äußeren Mantelfläche verteilt angeordnet sein, insbesondere äquidistant verteilt sein. Hierbei können die Lufteintrittsöffnungen grundsätzlich entlang einer Kreislinie um die Düsenlängsachse hintereinander angeordnet sein oder gegebenenfalls zumindest teilweise auch mit einem axialen Versatz zueinander.
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Grundsätzlich können die einzelnen Lufteintrittsöffnungen zueinander identisch ausgebildet sein, insbesondere im Hinblick auf ihre jeweilige Querschnittsfläche und insbesondere hinsichtlich ihrer Geometrie und Größe. Dies unterstützt eine gleichmäßige(re) Luftzuführung über die mehreren Verbindungsleitungen in die in dem Düsenhauptkörper ausgebildete Luftkammer.
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Alternativ oder ergänzend zu mehreren Verbindungsleitungen innerhalb des Düsenhauptkörpers können in dem Düsenhauptkörper mehrere zweite Kraftstoffleitungen vorgesehen sein, insbesondere mehrere parallel zueinander verlaufende zweite Kraftstoffleitungen. Grundsätzlich kann hierbei ebenfalls vorgesehen sein, dass die mehreren zweiten Kraftstoffleitungen (im Bereich des Düsenendes) in eine mit der zweiten Kraftstoffaustrittsöffnung verbundene Kraftstoffkammer münden. Hierüber wird folglich auch für den einzudüsenden Kraftstoff eine Zuführung an das Düsenende über mehrere diskrete Kraftstoffleitungen erreicht, bevor der einzudüsende Kraftstoff zur Vergleichmäßigung der einzuspritzenden Menge an dem Düsenende in der Kraftstoffkammer gesammelt und im Anschluss über die Kraftstoffaustrittsöffnung unter vergleichsweise hohem Druck eingedüst wird.
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Ist die zweite Kraftstoffaustrittsöffnung durch einen Ringspalt oder einen Ringsegmentspalt gebildet, können die Kraftstoffkammer, in die die mehreren zweiten Kraftstoffleitungen münden, und der Ringspalt oder der Ringsegmentspalt durch eine Wandung mit mehreren Löchern voneinander getrennt sein. Über die Löcher in der Wandung kann dann Kraftstoff aus der Kraftstoffkammer mit vergleichsweise hohem Druck in den Ringspalt oder in den Ringsegmentspalt einströmen und in Richtung des Brennraums eingedüst werden.
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In einer Ausführungsvariante ist in dem Düsenhauptkörper ein (zweites) Kraftstoffreservoir vorgesehen, das mit mindestens einer (zweiten) Kraftstoffzuleitung und mehreren zweiten Kraftstoffleitungen verbunden ist, sodass Kraftstoff aus der mindestens einen Kraftstoffzuleitung über das Kraftstoffreservoir auf die mehreren zweiten Kraftstoffleitungen aufteilbar ist. Bei einer derartigen Ausführungsvariante gelangt folglich aus einer Kraftstoffzuleitung, die beispielsweise in einem Düsenhalter der Düse untergebracht ist, Kraftstoff in ein düsenseitiges Kraftstoffreservoir. Von diesem einen Kraftstoffreservoir werden dann die eine oder mehreren zweiten Kraftstoffleitungen des Düsenhauptkörpers gespeist. Diese zweiten Kraftstoffleitungen münden im Bereich des Düsenendes beispielsweise wiederum jeweils in eine zugeordnete zweite Kraftstoffaustrittsöffnung von mehreren zweiten Kraftstoffaustrittsöffnungen oder sie münden in einer vorstehend angesprochenen gemeinsamen Kraftstoffkammer, aus der der Kraftstoff über eine oder mehrere zweite Kraftstoffaustrittsöffnungen in den Brennraum ausgebracht wird. Wenigstens über eine gewisse Länge des Düsenhauptkörpers wird somit Kraftstoff über mehrere einzelne zweite Kraftstoffleitungen geführt, was wiederum das Führen von Luft über eine oder mehrere Verbindungsleitungen von einem radial äußeren Bereich zu einem radial inneren Bereich an der einen zweiten Kraftstoffleitung oder den mehreren zweiten Kraftstoffleitungen vorbei erleichtert.
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Sind mehrere zweite Kraftstoffleitungen innerhalb des Düsenhauptkörpers vorgesehen, können jeweils wenigstens zwei Kraftstoffleitungen durch einen Wandabschnitt des Düsenhauptkörpers voneinander räumlich getrennt sein, in dem wenigstens eine der mehreren Verbindungsleitungen verläuft. Über eine derartige Konstruktion ist eine Aufteilung der Kraftstoffführung und der Luftzuführung innerhalb des Düsenhauptkörpers auf mehrere Einzelleistungen erleichtert, sodass Kraftstoff und Luft innerhalb des Düsenhauptkörpers auch aneinander in radialer Richtung vorbei und zu entsprechenden Austrittsöffnungen sowie gegebenenfalls zu jeweiligen stromauf einer zugehörigen Austrittsöffnung vorgesehenen Kraftstoff- oder Luftkammer geführt werden können.
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In einer Ausführungsvariante weist die Düse einen mit dem Düsenhauptkörper verbundenen Düsenhalter auf, über den die Düse beispielsweise an einem Gehäuse einer Brennkammerbaugruppe gehalten ist. In einem derartigen Düsenhalter ist üblicherweise wenigstens eine Kraftstoffzuleitung für die Zuführung des Kraftstoffs zu dem Düsenhauptkörper vorgesehen. In einer Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Düsenbaugruppe, sind zwei unterschiedliche, erste und zweite Kraftstoffzuleitungen in einem solchen Düsenhalter vorgesehen, um den unterschiedlichen ersten und zweiten Kraftstoffleitungen des Düsenhauptkörpers über unterschiedliche Zuleitungen Kraftstoff zuzuführen. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Kraftstoffzuleitungen erleichtert dann beispielsweise auch die Zuführung von unterschiedliche Typen von Kraftstoffen zu dem Düsenhauptkörper, also beispielsweise von flüssigem Kraftstoff wie Kerosin (insbesondere synthetischem Kerosin), oder Diesel, insbesondere Biodiesel einerseits und gasförmigen Kraftstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, andererseits.
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In einer hierauf basierenden Ausführungsvariante erstreckt sich beispielsweise innerhalb des Düsenhalters eine der Kraftstoffzuleitungen zumindest teilweise umfangsseitig um die andere Kraftstoffzuleitung herum. Eine solche Anordnung kann hierbei beispielsweise die Kühlung des in der einen Kraftstoffzuleitung geführten Kraftstoffs über den in der der anderen Kraftstoffzuleitung geführten Kraftstoff erleichtern. Dies kann insbesondere bei einem üblicherweise mit deutlich niedrigerer Temperatur vorgehaltenem Wasserstoff von besonderem Vorteil sein. Wird beispielsweise Wasserstoff in der zumindest teilweise umgebenden und damit weiter außen liegenden Kraftstoffzuleitung geführt, kann der hierin geführte, deutliche kühlere Wasserstoff die weiter innenliegende Kraftstoffzuleitung wenigstens teilweise abschirmen und so die Funktion eines Hitzeschildes übernehmen. Hierbei kann beispielsweise eine Abschirmung von heißer Verdichterluft erfolgen und damit effektiv einer temperaturbedingten Verkokung oder Verstopfung der innenliegenden Kraftstoffzuleitung entgegengewirkt werden, in der beispielsweise Kerosin zum Düsenhauptkörper geführt wird.
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In einer Ausführungsvariante ist die eine außenliegende Kraftstoffzuleitung mit einem ringförmigen Querschnitt ausgebildet, sodass die andere, innenliegende Kraftstoffzuleitung innerhalb der einen den ringförmigen Querschnitt aufweisen Kraftstoffzuleitung verlaufen kann.
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Sind unterschiedliche Kraftstoffzuleitungen vorgesehen, kann in einer Weiterbildung auch vorgesehen sein, dass die unterschiedlichen Kraftstoffzuleitungen in unterschiedliche Kraftstoffreservoire in dem Düsenhauptkörper münden. Hierbei sind die beiden unterschiedlichen Kraftstoffreservoire räumlich voneinander separiert, insbesondere wenn unterschiedliche Typen von Kraftstoffen über die Kraftstoffzuleitungen transportiert werden sollen. Beispielsweise kann dann ein zweites Kraftstoffreservoir, bezogen auf die Düsenlängsachse, in dem Düsenhauptkörper radial weiter außen liegen als das erste Kraftstoffreservoir. Grundsätzlich kann das erste Kraftstoffreservoir und/oder das zweite Kraftstoffreservoir in dem Düsenhauptkörper ringförmig ausgebildet sein und mit einer oder mehreren ersten respektive zweiten Kraftstoffleitungen in Verbindung stehen.
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Wie bereits vorstehend erläutert, können die mindestens eine erste Kraftstoffleitung für das Führen von flüssigem Kraftstoff, insbesondere von Kerosin oder Diesel, insbesondere von synthetischem Kerosin oder Biodiesel, und die mindestens eine zweite Kraftstoffleitung für das Führen von gasförmigen Kraftstoff, insbesondere von Wasserstoff, eingerichtet und vorgesehen sein. Dies schließt insbesondere ein, dass eine Düse einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe für ein gleichzeitiges Eindüsen von unterschiedlichen Typen von Kraftstoffen (also zum Beispiel Kerosin einerseits und Wasserstoff andererseits) in einen Brennraum einer Brennkammer vorgesehen ist. Insbesondere können hierbei die unterschiedlichen Typen von Kraftstoffen mit variablen Mengenverhältnissen eindüsbar sein.
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Von der vorgeschlagenen Lösung ist somit insbesondere ein Verfahren zum Betrieb einer Düse einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe eingeschlossen, bei dem vorgesehen ist, über die eine Düse z.B. in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Triebwerks zwei unterschiedliche Typen von Kraftstoffen (zum Beispiel Kerosin/Diesel und Wasserstoff, insbesondere in verschiedenen Aggregatszuständen), mit variabel einstellbaren Mengenverhältnissen in einen Brennraum einer Brennkammer einzudüsen. So können beispielsweise in Abhängigkeit von einem gewünschten Schub und/oder einem bestimmten Flugzustand eines das Triebwerk aufweisenden Luftfahrzeugs unterschiedliche Mengenverhältnisse von einzudüsenden Mengen an den unterschiedlichen Kraftstoffen vorgegeben werden. Beispielsweise variiert das Verhältnis von erstem Kraftstoff zu zweiten Kraftstoff (gestuft oder kontinuierlich) von 100:0 über 50:50 bis 0:100. Dies schließt auch eine Variation von 80:20 über 55:45, 25:50 und 10:90 bis zu 0:100 (gestufte oder kontinuierlich) je nach gewünschtem Schub und/oder Flugzustand ein. Analog kann auch ein variables Mengenverhältnis von 100:0 über 30:70, 15:85 zu 0:100 (gestuft oder kontinuierlich) für ein anderes Nutzungsszenario vorgegeben sein. Über die vorgeschlagene Düsenbaugruppe sind derartige Variationen ohne weiteres realisierbar.
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Von der vorgeschlagenen Lösung umfasst ist ferner ein Triebwerk mit mindestens einer Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe.
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Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
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Hierbei zeigen:
- 1 in geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe;
- 2A eine Draufsicht auf die Düsenbaugruppe der 1 entlang der Blickrichtung A der 1;
- 2B eine Frontansicht auf ein einem Brennraum zuzuwendendes Düsenende der Düse der Düsenbaugruppe der 1 entlang der Blickrichtung B der 1;
- 2C eine Schnittansicht der Düsenbaugruppe entsprechend der Schnittlinie C-C der 1;
- 2D eine Schnittansicht der Düsenbaugruppe der 1 entsprechend der Schnittlinie D-D der 1;
- 3 ein Diagramm, in dem unterschiedliche prozentuale Anteile von mit der Düse der 1 und 2A bis 2D ein zuspitzenden Kerosins und einzuspritzenden Wasserstoffs über unterschiedliche Schubleistungen für zwei unterschiedliche Betriebsszenarien eines Triebwerks dargestellt sind;
- 4A ein Triebwerk, in dem eine Ausführungsvarianten einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe zum Einsatz kommt;
- 4B ausschnittsweise und in vergrößertem Maßstab die Brennkammer des Triebwerks der 4A;
- 4C in geschnittener Seitenansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Düse für das Triebwerk und die Brennkammer der 4A und 4B.
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Die 4A veranschaulicht schematisch und in Schnittdarstellung ein (Turbofan-) Triebwerk T, bei dem die einzelnen Triebwerkskomponenten entlang einer Rotationsachse oder Mittelachse M hintereinander angeordnet sind und das Triebwerk T als Turbofan-Triebwerk ausgebildet ist. An einem Einlass oder Intake E des Triebwerks T wird Luft entlang einer Eintrittsrichtung mittels eines Fans F angesaugt. Dieser in einem Fangehäuse FC angeordnete Fan F wird über eine Rotorwelle S angetrieben, die von einer Turbine TT des Triebwerks T in Drehung versetzt wird. Die Turbine TT schließt sich hierbei an einen Verdichter V an, der beispielsweise einen Niederdruckverdichter 111 und einen Hochdruckverdichter 112 aufweist, sowie gegebenenfalls noch einen Mitteldruckverdichter. Der Fan F führt einerseits in einem Primärluftstrom F1 dem Verdichter V Luft zu sowie andererseits, zur Erzeugung des Schubs, in einem Sekundärluftstrom F2 einem Sekundärstromkanal oder Bypasskanal B. Der Bypasskanal B verläuft hierbei um ein den Verdichter V und die Turbine TT umfassendes Kerntriebwerk, das einen Primärstromkanal für die durch den Fan F dem Kerntriebwerk zugeführte Luft umfasst.
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Die über den Verdichter V in den Primärstromkanal geförderte Luft gelangt in eine Brennkammerbaugruppe BK des Kerntriebwerks, in dem die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine TT erzeugt wird. Die Turbine TT weist hierfür eine Hochdruckturbine 113, eine Mitteldruckturbine 114 und einen Niederdruckturbine 115 auf. Die Turbine TT treibt dabei über die bei der Verbrennung freiwerdende Energie die Rotorwelle S und damit den Fan F an, um über die die in den Bypasskanal B geförderte Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Sowohl die Luft aus dem Bypasskanal B als auch die Abgase aus dem Primärstromkanal des Kerntriebwerks strömen über einen Auslass A am Ende des Triebwerks T aus. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse mit einem zentral angeordneten Auslasskonus C auf.
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Die 4B zeigt einen Längsschnitt durch die Brennkammerbaugruppe BK des Triebwerks T. Hieraus ist insbesondere in eine (Ring-) Brennkammer 103 des Triebwerks T ersichtlich. Zur Einspritzung von Kraftstoff respektive eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einen Brennraum 1030 der Brennkammer 103 ist eine Düsenbaugruppe vorgesehen. Diese umfasst einen Brennkammerring R, an dem entlang einer Kreislinie um die Mittelachse M mehrere Düsen D an einem Brennkammerkopf 14 (vgl. 4C) der Brennkammer angeordnet sind. An dem Brennkammerring R sind ein oder mehrere Brennerdichtungen 13 mit Lageröffnungen vorgesehen, an denen Düsenköpfe der jeweiligen Düsen D gehalten sind, sodass hierüber Kraftstoffstoff in die Brennkammer 103 eingespritzt werden kann. Jede Düse D umfasst dabei einen Flansch, über den ein Düsenhalter 1 der Düse D an ein Außengehäuse G der Brennkammer 103 geschraubt ist, wie dies auch anhand der vergrößerten Darstellung der 4C veranschaulicht ist.
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Die 4C zeigt im vergrößerten Maßstab eine aus dem Stand der Technik bekannte Düsenbaugruppe, bei der die Düse D lediglich zum Einspritzen von einem Typ Kraftstoff, hier beispielsweise Kerosin, in den Brennraum 1030 eingerichtet und vorgesehen ist. Die dargestellte (Kraftstoff-) Düse D weist insgesamt drei Luftleitkanäle 2, 7 und 4 auf, durch die jeweils Luft aus dem Hochdruckverdichter 112 dem Brennraum 1030 zugeführt wird und auf diesem Weg mit Kraftstoff vermischt wird.
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Dabei weist die Düse D einen ersten, zentralen Luftleitkanal 2 und zwei weitere, radial außen liegende Luftleitkanäle 4 und 7 auf. Ein zweiter Luftleitkanal 7 ist zwischen einer Kraftstoffleitung 12 für den einzuspritzenden Kraftstoff und einem noch weiter radial außenliegenden dritten Luftleitkanal 4 vorgesehen. In jedem der Luftleitkanäle 2, 7 und 4 sind Drallelemente 3, 8 oder 5 vorgesehen, um der einzuströmenden Luft einen Umfangsdrall aufzuprägen, wodurch die Vermischung von Kraftstoff und Luft verbessert wird.
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Der radial äußerste, dritte Luftleitkanal 4 wird radial nach außen durch eine äußere Luftführung 6 hin zum Brennkammerkopf 14 mit einer Brennerdichtung 13 abgegrenzt. Über die Kraftstoffleitung 12 wird Kraftstoff zu einer Düsenaustrittsöffnung 9 am Düsenende geführt, die zwischen zwei Luftaustrittsöffnungen der ersten und zweiten Luftleitkanäle 2 und 7 liegt. Der Kraftstoff wird der Kraftstoffleitung 12 von einem Kraftstoffreservoir 11 in Form einer Ringkammer zugeführt, die in einem Kopfabschnitt der Düse D angeordnet ist. Dieses Kraftstoffreservoir 11 ist mit einer Kraftstoffzuleitung 10 des Düsenhalters 1 verbunden. Über diese Kraftstoffzuleitung 10 wird folglich das Kraftstoffreservoir 11 mit Kraftstoff gespeist, von wo aus dann der Kraftstoff über die eine Kraftstoffleitung 12 (oder mehrere Kraftstoffleitungen 12 verteilt) an die eine hier als Ringspalt ausgebildete Kraftstoffaustrittsöffnung 9 am Düsenende der Düse D geführt und in den Brennraum 1030 eingespritzt wird.
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Die aus der 4C bekannte Konfiguration einer Düse D kann in Kombination mit einem anderen Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, nicht ohne weiteres verwendet werden. Insbesondere ist hierüber keine kombinierte Eindüsung von Wasserstoff und Kerosin in den Brennraum 1030 oder eine Eindüsung einer anderen Kombination von gasförmigen und flüssigem Kraftstoff möglich. Hier schafft eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Düsenbaugruppe Abhilfe, die einen kombinierten Betrieb einer Düse D mit unterschiedlichen Kraftstoffen, insbesondere mit Kraftstoffen unterschiedlicher Typen ermöglicht.
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Hierbei ist die in den erläuterten 1 und 2A bis 2D dargestellte (Kraftstoff-) Düse D für einen kombinierten Betrieb mit flüssigem Kraftstoff, zum Beispiel Kerosin oder synthetisch hergestellten Kraftstoff, einerseits und gasförmigen Kraftstoff, zum Beispiel Wasserstoff, andererseits eingerichtet und vorgesehen. Die dargestellte Düse D ist dabei derart gestaltet, dass diese mit unterschiedlichen Mengenverhältnissen der unterschiedlichen Kraftstoffe betrieben werden kann. Es ist insbesondere z.B. in Abhängigkeit von einem Flugzustand eines mit dem Triebwerk T ausgestatteten Luftfahrzeugs möglich, über die Düse D 20% Wasserstoff und 80% Kerosin beim Zünden des Triebwerks T, 50% Wasserstoff und 50% Kerosin beim Starten des Luftfahrzeugs, 80% Wasserstoff und 20% Kerosin im Steigflug und 100% Wasserstoff und 0% Kerosin im Reiseflug einzuspritzen. Weitere mögliche Kombinationen über unterschiedliche Betriebsbereiche und angeforderte Schubleistungen sind exemplarisch anhand der 3 dargestellt, die nachfolgend - nach einer detaillierteren Beschreibung der Ausführungsvariante der Düse D gemäß den 1 und 2A bis 2D - noch erläutert werden.
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Entsprechend der geschnittenen Seitenansicht der 1 weist die Düse D einen mit dem Düsenhalter 1 verbundenen Düsenhauptkörper DH auf, in den unterschiedliche erste und zweite Kraftstoffleitungen 12 und 17 für die unterschiedlichen Kraftstoffe sowie wenigstens zwei unterschiedliche Luftleitkanäle 2 und 7 integriert sind. An einem Düsenende des Düsenhauptkörper DH sind radial weiter außen liegend - analog zu einer Düse D gemäß dem Stand der Technik - ein dritter Luftleitkanal 4 mit Drallelementen 5 und eine äußere Luftführung 6 vorgesehen.
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Die Versorgung mit flüssigem Kraftstoff erfolgt analog zu der aus dem Stand der Technik gemäß der 4C bekannten Lösung durch eine zentrale Kraftstoffzuleitung 10 im Düsenhalter 1. Von hier gelangt der flüssige Kraftstoff in ein erstes Kraftstoffreservoir 11 in Form einer Ringkammer, aus dem über eine oder mehrere erste Kraftstoffleitungen, 12 insbesondere ein Bündel von in dem Düsenhauptkörper DH integrierte ersten Kraftstoffleitungen 12, der Kraftstoff zu einer erste Kraftstoffaustrittsöffnung in Form eines ersten Kraftstoffringspalts 9 geführt wird. Über diesen ersten Kraftstoffringspalt 9 wird der flüssige Kraftstoff schließlich in den Brennraum 1030 eingespritzt und stromab mit Luft vermischt.
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Die ersten Kraftstoffleitungen 12 sind radial außen zu dem zentralen, ersten Luftleitkanal 2 angeordnet und verlaufen im Wesentlichen parallel zu einer Düsenlängsachse L des Düsenhauptkörpers DH. Am Düsenende der Düse D sind radial weiter außen zu dem Kraftstoffringspalt 9 eine zweite Luftaustrittsöffnung in Form eines Ringspalts 70 und eine weitere, zweite Kraftstoffaustrittsöffnung in Form eines zweiten Kraftstoffringspalts 19 vorgesehen. Bezogen auf eine senkrecht zu der Düsenlängsachse L und radial nach außen weisende Radialrichtung folgen dementsprechend am Düsenende auf eine zentrale Luftaustrittsöffnung 2A des ersten zentralen Luftleitkanals 2 der erste Kraftstoffringspalt 9, der zweite Ringspalt 70 für Luft und der zweite Kraftstoffringspalt 19.
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Der Ringspalt 70 für Luft liegt folglich zwischen den beiden Kraftstoffaustrittsöffnungen 9 und 19, aus denen vorliegend unterschiedliche Kraftstoffe in den Brennraum 1030 eingedüst werden sollen. So soll aus dem zweiten Kraftstoffringspalt 19, der die zweite Kraftstoffaustrittsöffnung bildet, Wasserstoff in den Brennraum 1030 eingedüst werden können, und zwar gegebenenfalls zusätzlich und zeitgleich zu einem Eindüsen von Kerosin über den ersten Kraftstoffringspalt 9. Indem hierbei über die zwischen den beiden Kraftstoffaustrittsöffnungen und damit den entsprechenden Kraftstoffringspalten 9 und 19 liegende zweite Luftaustrittsöffnung in Form des Ringspalts 70 verdrallte Luft in Richtung des Brennraums 1030 geleitet werden kann, kann effektiv Luft für die Vermischung mit beiden Typen von Kraftstoffen am Düsenende der Düse D zur Verfügung gestellt werden.
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Mit der Verwendung zweier Kraftstoffe, die entsprechend über unterschiedliche Kraftstoffzuleitungen 10, 15 gespeist werden müssen, ist eine Luftführung in den zweiten Luftleitkanal 7, der in den Ringspalt 70 für die einzuströmende Luft mündet, über eine konventionelle Konstruktion der Düse D nicht vorteilhaft, um hierüber ein ausreichend große Vermischung und/oder Flammenstabilität zu erreichen. Aus diesem Grund ist bei der dargestellten Ausführungsvariante vorgesehen, dass an einer äußeren Mantelfläche des Düsenhauptkörpers DH umfangsseitig gleichmäßig verteilt Lufteintrittsöffnungen 20A vorgesehen sind. Diese Lufteintrittsöffnungen 20A sind mit in den Düsenhauptkörper DH integrierten Verbindungsleitungen 20 verbunden, die jeweils in den einen zweiten Luftleitkanal 70 münden. Jede Verbindungsleitung 20 verläuft dabei jeweils nicht nur entlang der Düsenlängsachse L, sondern auch von einem radial weiter außen liegenden Bereich mit einer jeweiligen Lufteintrittsöffnung 20A zu dem radial weiter innen liegenden zweiten Luftleitkanal 7 und ist hierbei jeweils zwischen zwei radial außen liegenden, zweiten Kraftstoffleitungen 17 für den Wasserstoff vorbei geführt. Derart können die zweiten Kraftstoffleitungen 17 für den Wasserstoff in einem radial außen liegenden Bereich des Düsenhauptkörpers DH Wasserstoff zum Düsenende der Düse D führen, während gleichzeitig von der radial außen liegenden Umgebung des Düsenhauptkörpers DH Luft zu dem zwischen den beiden Kraftstoffringspalten 9 und 19 liegenden Ringspalt 70 geführt wird.
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Die zweiten Kraftstoffleitungen 17 für den Wasserstoff werden hierbei ebenfalls von einem (zweiten) Kraftstoffreservoir 16 in Form einer Ringkammer gespeist. Dieses zweites Kraftstoffreservoir 16 liegt radial weiter außen als ein erstes Kraftstoffreservoir 11 für das Kerosin und liegt ebenfalls in einem mit dem Düsenhalter 1 verbundenen Kopfabschnitt des Düsenhauptkörpers DH vor. Das zweite Kraftstoffreservoir 16 für den Wasserstoff wird hierbei von einer zweiten Kraftstoffzuleitung 15 mit ringförmigem Querschnitt gespeist, in der die erste Kraftstoffzuleitung 10 für das Kerosin in dem Düsenhalter 1 der Düse D aufgenommen ist.
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Von dem zweiten ringförmigen Kraftstoffreservoir 16 für den Wasserstoff wird der Wasserstoff innerhalb des Düsenhauptkörper DH über die einzelnen zweiten Kraftstoffleitungen 17 in Richtung des Düsenendes geführt. Hierbei münden die einzelnen zweiten Kraftstoffleitungen 17 in einer weiteren (düsenendseitigen) Kraftstoffkammer 23, die hier ebenfalls als Ringkammer ausgeführt ist. Aus dieser Kraftstoffkammer 23 strömt der Wasserstoff im Betrieb des Triebwerks T in den zweiten Kraftstoffringspalt 19.
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Wie anhand der Draufsicht der 2A veranschaulicht ist, liegen die Lufteintrittsöffnungen 20A, über die Luft in die Verbindungsleitungen 20 strömen kann, umfangsseitig gleichmäßig verteilt vor. Vorliegend sind hierbei die Lufteintrittsöffnungen 20A für eine Vergleichmäßigung der Luftströmung zueinander identisch ausgebildet und mit keinem Versatz zueinander entlang der Düsenlängsachse L in einer Umfangsrichtung miteinander fluchtend hintereinander angeordnet.
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Die Draufsicht der 2A veranschaulicht die im Querschnitt vollumfängliche Einfassung der ersten Kraftzuleitung 10 für das Kerosin durch die zweite Kraftstoffzuleitung 15 für den Wasserstoff. Durch diese vollumfängliche Einfassung der ersten Kraftstoffzuleitung 10 für das Kerosin wird vorliegend eine hitzeschildartige Ummantelung der ersten Kraftstoffzuleitung 10 in dem Düsenhalter 1 erreicht. So ist der in der zweiten Kraftstoffzuleitung 15 geführte Wasserstoff deutlich kühler als das in der ersten, inneren Kraftstoffzuleitung 10 geführte Kerosin. Über den in der zweiten Kraftstoffzuleitung 15 geführten Wasserstoff wird somit das Kerosin in der ersten Kraftstoffzuleitung 10 vor temperaturbedingter Verkokung oder Verstopfung aufgrund der heißen Verdichterluft aus dem Hochdruckverdichter 112 geschützt.
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Die Vorderansicht auf das Düsenende der Düse D der 2B veranschaulicht nochmals die unterschiedliche Anordnung der verschiedenen Kraftstoffringspalte 9 und 19 für die verschiedenen Kraftstoffe, den dazwischenliegenden Ringspalt 70 für die einzuströmende Luft und den radial äußersten weiteren, dritten Luftleitkanal 4. Zur aerodynamisch vorteilhaften Beeinflussung der Luftströmung aus dem aus dem Ringspalt 70 des zweiten Luftleitkanals 7 ist zwischen dem Ringspalt 70 und dem radial äußeren Kraftstoffringspalt 19 für Wasserstoff am Düsenende ein entsprechend geformtes Strömungsleitelement 22 ausgebildet. Über dieses Strömungsleitelement 22 wird die Luftströmung einerseits zunächst radial nach innen in Richtung des eingedüsten Kerosins und andererseits weiter stromab radial nach außen in Richtung eingedüsten Wasserstoffs geleitet.
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Die geschnittene Rückansicht entlang der Schnittlinie C-C der 1, die in der 2C dargestellt ist, illustriert die Anordnung der zwei unterschiedlichen jeweils im Querschnitt ringförmigen Kraftstoffreservoirs 11 und 16 für das Sammeln des Kerosins respektive des Wasserstoffs vor deren Verteilung auf die jeweiligen einzelnen ersten und zweiten Kraftstoffleitungen 12 und 17.
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Anhand der entlang der Schnittlinie D-D der 1 gewonnenen Schnittdarstellung der 2D ist die Führung der Verbindungsleitungen 20 innerhalb des Düsenhauptkörpers DH näher veranschaulicht wie auch die Verbindung der zweiten Kraftstoffleitungen 17 für den Wasserstoff zu dem zweiten Kraftstoffreservoir 16 und der weiteren düsenendseitigen Kraftstoffkammer 23. So erstrecken sich die einzelnen Verbindungsleitungen 20 jeweils innerhalb eines Wandabschnitts 24 des Düsenhauptkörpers DH, über den entlang der Düsenlängsachse L jeweils zwei zweite Kraftstoffleitungen 17 räumlich voneinander separiert sind. Derart können die zweiten Kraftstoffleitungen 17 für den Wasserstoff im Wesentlichen parallel zur Düsenlängsachse L und auch zueinander parallel in dem Düsenhauptkörper DH ausgebildet werden, während sich die Verbindungsleitungen 20 für die Zuführung von Luft an den zweiten Luftleitkanal 7 zumindest teilweise auch in radialer Richtung durch den Düsenhauptkörper DH an den zweiten Kraftstoffleitungen 17 vorbei erstrecken können.
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Wie anhand der Rückansicht der 2D ersichtlich ist, münden die einzelnen zweiten Kraftstoffleitungen 17 für den Wasserstoff in der düsenendseitigen Kraftstoffkammer 23, die durch eine Wandung mit mehreren diskreten Löchern von dem zweiten Kraftstoffringspalt 19 getrennt ist. Über die einzelnen Löcher 18 in der Wandung wird der Wasserstoff unter vergleichsweise hohem Druck aus der Kraftstoffkammer 23 in den zweiten Kraftstoffringspalt 19 eingedüst. Die Löcher 18 stellen somit ein Eindüsungspunkte für den Wasserstoff in den zweiten Kraftstoffringspalt 19 dar.
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Bei einer Düse D der 1 und 2A bis 2D werden zwei räumlich voneinander separierte Kraftstoffzuleitungen 10, 15 für unterschiedliche Kraftstoffe zur Verfügung gestellt, die jeweils mit einem Kraftstoffreservoir 11 oder 16 für den jeweiligen Kraftstoff an einem Kopfabschnitt des Düsenhauptkörpers DH verbunden sind. Aus einem Kraftstoffreservoir 11, 16 kann im Betrieb des Triebwerks T dann der jeweilige Kraftstoff auf ein Bündel von mehreren in dem Düsenhauptkörper DH integrierte erste oder zweite Kraftstoffleitungen 12 oder 17 verteilt werden. Über ein jeweiliges Bündel von ersten oder zweiten Kraftstoffleitungen 12 oder 17 gelangt der jeweilige Kraftstoff wiederum zu einem zugeordneten ersten oder zweiten Kraftstoffringspalt 9 oder 19, über den der jeweilige Kraftstoff in den Brennraum 1030 eingedüst wird. Zwischen den beiden Kraftstoffringspalten 9 und 19 ist ein Ringspalt 70 für von außen an dem Düsenhauptkörper DH einströmende und am Düsenende einzudüsende Luft vorgesehen. Über die dargestellte Konfiguration erlaubt die Düse D hierbei nicht nur das Eindüsen von jeweils nur einem Typ von Kraftstoff an einem der Kraftstoffringspalte 9 oder 19 und eine effektive Vermischung beider Kraftstoffe mit zugeführter Luft. Vielmehr ist hierüber auch ein kombiniertes Eindüsen beider Kraftstoffe über beide Kraftstoffringspalte 9 und 19 mit unterschiedlichen Mengenverhältnissen möglich und damit ein kombinierter Betrieb der Düse D.
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Wie anhand des Diagramms der 3 exemplarisch dargestellt ist, ist über die Düse D hierbei insbesondere ein Betrieb möglich, in dem Wasserstoff und Kerosin in Abhängigkeit von einem Flugzustand und einem hierbei gewünschten Schub in unterschiedlichen Verhältnissen eingedüst werden. In dem Diagramm der 3 ist dabei ein jeweiliger prozentualer Anteil des Wasserstoffs und des Kerosins über den angeforderten Schub dargestellt, wobei der Schub in Prozent des Startschubs angegeben ist. Die 3 zeigt dabei unterschiedliche Mengenverhältnisse für einen kombinierten Betrieb der Düse D für zwei unterschiedliche Szenarien. In einem ersten Szenario variiert die Menge an eingedüstem Kerosin von 80% bis 0%, womit dann eine entsprechendes Menge von Wasserstoff von 20% bis 100% einhergeht. In einem zweiten Szenario wird die Menge an Kerosin von 100% bis 0% und umgekehrt hierzu die Menge an Wasserstoff von 0% bis 100% variiert. Die Prozentangaben können sich dabei z.B. auf die Massenanteile oder Volumenanteils des jeweiligen Kraftstoffs an der Gesamtmenge der eingespritzten Kraftstoffe beziehen.
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Es versteht sich, dass die vorgeschlagene Lösung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung erstreckt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, und umfasst diese.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Düsenhalter
- 2
- Erster, zentraler Luftleitkanal
- 2A
- Erste, zentrale Luftaustrittsöffnung
- 3
- (inneres) Drallelement
- 4
- (äußerer, weiterer) Luftleitkanal
- 5
- (äußeres) Drallelement
- 6
- Äußere Luftführung
- 7
- Zweiter (mittlere) Luftleitkanal
- 70
- Zweite Luftaustrittsöffnung / Ringspalt
- 8
- (mittleres) Drallelement
- 9
- Erste Kraftstoffaustrittsöffnung / erster Kraftstoffringspalt
- 10
- Erste Kraftstoffzuleitung
- 11
- Erstes Kraftstoffreservoir / Ringkammer
- 12
- Erste Kraftstoffleitung
- 13
- Brennerdichtung
- 14
- Brennkammerkopf
- 15
- Zweite Kraftstoffzuleitung
- 16
- Zweites Kraftstoffreservoir / Ringkammer
- 17
- Zweite Kraftstoffleitung
- 18
- Loch / Eindüsungspunkt
- 19
- Zweite Kraftstoffaustrittsöffnung / zweiter Kraftstoffringspalt
- 20
- Verbindungsleitung
- 20A
- Lufteintrittsöffnung
- 21
- Ringkammer / Luftkammer
- 22
- Strömungsleitelement
- 23
- weitere Kraftstoffkammer / Ringkammer
- 24
- Wandabschnitt
- 103
- Brennkammer
- 1030
- Brennraum
- 111
- Niederdruckverdichter
- 112
- Hochdruckverdichter
- 113
- Hochdruckturbine
- 114
- Mitteldruckturbine
- 115
- Niederdruckturbine
- A
- Auslass
- B
- Bypasskanal
- BK
- Brennkammerbaugruppe
- C
- Auslasskonus
- D
- Düse
- DH
- Düsenhauptkörper
- E
- Einlass / Intake
- F
- Fan
- F1, F2
- Fluidstrom
- FC
- Fangehäuse
- G
- Außengehäuse
- L
- Düsenlängsachse
- M
- Mittelachse / Rotationsachse
- R
- Brennkammerring
- S
- Rotorwelle
- T
- (Turbofan-)Triebwerk
- TT
- Turbine
- V
- Verdichter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0071420 A1 [0002]
- US 20160201897 A1 [0002, 0003]
