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Diese
Erfindung betrifft eine Brennstoffinjektionseinrichtung für den Brenner
einer Gasturbine.
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In
Gasturbinen werden im Wesentlichen flüssige oder gasförmige Brennstoffe
zur Erzeugung mechanischer Energie verbrannt. Die Erfindung befasst sich
mit der optimalen Ausgestaltung von Brennstoffinjektoren – insbesondere Ölinjektoren,
die üblicherweise
in Gasturbinenbrennern eingesetzt werden. Gasturbinen, ihre Brenner
und zugehörige Brennstoftinjektionssysteme
sind seit langer Zeit Gegenstand der technischen Entwicklung und
umfangreich dokumentiert, so dass sie hier nicht im Einzelnen erläutert werden
müssen.
Zur Injektion werden sog. Brennstoffdüsen eingesetzt, wobei im Folgenden
allgemein und in nicht einschränkender
Weise von einer Brennstoffinjektionseinrichtung gesprochen wird.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine verbesserte
Brennstoffinjektionseinrichtung für flüssige Brennstoffe in Gasturbinenbrennern
anzugeben.
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Die
Erfindung richtet sich zum einen auf eine Brennstoffinjektionseinrichtung
für einen
Gasturbinenbrenner mit einem eine innere Brennstoffleitung bildenden
Brennstoffrohr für
flüssige
Brennstoffe und einem einen das Brennstoffrohr einschließenden Schirmluftkanal
bildenden Schirmluftrohr und einer Injektionsdüsenöffnung an einem Ende der Brennstoffinjektionseinrichtung,
an welcher Injektionsdüsenöffnung Brennstoff
aus der Brennstoffleitung und Schirmluft aus dem Schirmluftkanal
in einen Gasturbinenbrenner injiziert werden können und welche Injektionsdüsenöffnung so
geformt ist, dass sie dem injizierten Brennstoff einen Injektionswinkel
relativ zu der Brennstoffrohrlängsachse
verleiht, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionsdüsenöffnung so gestaltet
ist, dass sich der Injektionswinkel im Betrieb infolge von Temperaturunterschieden
zwischen dem Brennstoff in dem Brennstoffrohr und der Schirmluft in
dem Schirmluftkanal abhängig
von dem Brennstoffinjektionsmassenstrom verändert.
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Die
Erfindung richtet sich daneben auf eine Brennstoffinjektionseinrichtung
für einen
Gasturbinenbrenner mit einem eine innere Brennstoffleitung bildenden
Brennstoffrohr für
flüssige
Brennstoffe und einem einen das Brennstoffrohr einschließenden Schirmluftkanal
bildenden Schirmluftrohr und einer Injektionsdüsenöffnung an einem Ende der Brennstoffinjektionseinrichtung,
an welcher Injektionsdüsenöffnung Brennstoff
aus der Brennstoffleitung und Schirmluft aus dem Schirmluftkanal
in einen Gasturbinenbrenner injiziert werden können, dadurch gekennzeichnet,
dass die Injektionsdüsenöffnung so gestaltet
ist, dass sich der Injektionsimpuls des Brennstoffs im Betrieb durch
Veränderungen
der wirksamen Brennstoffinjektionsfläche infolge von Temperaturunterschieden
zwischen dem Brennstoff in der Brennstoffleitung und der Schirmluft
in dem Schirmluftkanal abhängig
von dem Brennstoffinjektionsmassenstrom verändert.
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Weiterhin
richtet sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren zum
Betreiben einer Gasturbine und schließlich auf einen mit einer solchen Brennstoffinjektionseinrichtung
ausgestatteten Brenner und auf eine entsprechend ausgestattete Gasturbine.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und
in der folgenden Beschreibung angegeben. Dabei richtet sich die
Offenbarung in den Einzelmerkmalen sowohl auf den Vorrichtungsaspekt
als auch auf den Verfahrensaspekt der Erfindung, ohne dass im Folgenden
dazwischen ausdrücklich
unterschieden wird.
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Die
Erfindung richtet sich auf eine leistungsabhängige, also vom Brennstoffinjektionsmassenstrom
abhängige,
thermisch induzierte Veränderung der
Form der Injektionsdüsenöffnung am
Ende der Brennstoffinjektionseinrichtung. Die Brennstoffinjektionseinrichtung
ist in an sich bekannter Weise mit einem inneren Brennstoffrohr
für den
zu verbrennenden Brennstoff und einem das Brennstoffrohr umgebenden
und von einem Schirmluftrohr umschlossenen Schirmluftkanal ausgestattet.
Die Schirmluft dient zur Beabstandung der Verbrennungsflamme von
der Injektionsdüsenöffnung und
damit auch zur Einstellung der Verbrennungsbedingungen. Sie wird im
Gegensatz zu dem zu verbrennenden Brennstoff in der Regel bei erheblich
höherer Temperatur
als der Brennstoff zugeführt.
Dieser Temperaturunterschied soll erfindungsgemäß für eine Formveränderung
in der Injektionsdüsenöffnung und
damit für
eine Beeinflussung des Injektionswinkels ("Spraywinkel") sorgen, mit der das Brennstoff in
den Brenner injiziert wird. Diese Formveränderung soll über das
Wärmeausdehnungsverhalten
der beteiligten Bauteile bzw. deren Materialien erzeugt werden.
Dabei können
beispielsweise die Temperaturunterschiede zwischen dem Schirmluftrohr
und dem Brennstoffrohr, die Temperaturunterschiede zwischen den
verschiedenen Lastzuständen
bzw. Brennstoffmassenströmen und/oder
unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeftizienten
der beteiligten Materialien ausgenutzt werden.
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Bei
den konventionellen Brennstoffinjektionssystemen waren die den Injektionswinkel
und -impuls bestimmenden geometrischen Verhältnisse fest vorgegeben. Dies
führte,
wie weiter unten noch näher
erläutert,
zum Auftreten von Pulsationen im Start- und unteren Teillastbereich
beim Hochfahren einer Gasturbine.
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Im
Gegensatz dazu sieht die Erfindung vor, die für den Injektionswinkel bzw.
-impuls verantwortliche Form der Injektionsdüsenöffnung veränderlich zu gestalten, und
zwar unter Ausnutzung thermischer Veränderungen zwischen den verschiedenen
Lastzuständen.
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Insbesondere
kann die erfindungsgemäße Brennstoffinjektionseinrichtung
ein Injektionsdüsenkernstück aufweisen,
das konzentrisch zu dem Brennstoffrohr und der Brennstoffrohrlängsachse
angeordnet ist. Der Brennstoff strömt an einer Ablenkfläche dieses
Injektionsdüsenkernstücks entlang,
bevor es in den Brenner injiziert wird, und wird dadurch in seinem
Strömungsverhalten
divergiert. Anschaulich gesprochen wird die in dem Brennstoffrohr
transportierte Brennstoffströmung
durch die Ablenkung an der Ablenkfläche des Injektionsdüsenkernstücks aufgefächert, wobei
sich ein entsprechender Injektionswinkel ergibt. Dabei ist das Injektionsdüsenkernstück entweder
an dem Brennstoffrohr gehalten oder an dem Schirmluftrohr gehalten.
Infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung des Brennstoffrohrs und
des Schirmluftrohrs verschiebt sich das Injektionsdüsenkernstück in der
Richtung der Brennstoffrohrlängsachse
abhängig
von dem Brennstoffinjektionsmassenstrom, und zwar in Bezug auf das
jeweils andere Rohr, d. h. das Schirmluftrohr bzw. das Brenn stoffrohr.
Es kommt also zu einer Relativbewegung zwischen dem Injektionsdüsenkernstück und demjenigen
der beiden Rohre, an dem dieses nicht gehalten ist. Infolge dieser
Relativbewegung wird der zwischen dem Injektionsdüsenkernstück und dem betreffenden
Rohrende vorhandene Zwischenraum als Injektionsdüsenöffnung oder Teil derselben
in der Form und/oder in der Querschnittsfläche verändert, woraus sich die gewünschte Beeinflussung
des Injektionswinkels und des Impulses des injizierten Brennstoffs
ergibt. Dieser Injektionswinkel und Impuls sind dabei – wie bei
konventionellen Einrichtungen – nicht
unbedingt einheitlich sondern im Sinn lokaler Mittelwerte zu verstehen.
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Das
Injektionsdüsenkernstück kann
insbesondere kegelförmig
sein, etwa kreiskegelförmig
mit geraden Flanken. Dabei sind Stumpfkegelformen natürlich mit
inbegriffen. Die Mantelfläche
des Kegels bildet dabei die erwähnte
Ablenkfläche
des Injektionsdüsenkernstücks.
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Die
Erfindung richtet sich aber gleichermaßen auch auf Varianten, bei
denen der Injektionsimpuls des Brennstoffs verändert wird. Dies kann im Prinzip
auch bei unveränderlichem
Injektionswinkel, aber natürlich
auch bei gleichzeitiger Veränderung des
Injektionswinkels erfolgen. Einfach gesprochen kann der Injektionsimpuls
vor allem dadurch beeinflusst werden, dass die wirksame Fläche der
Injektionsdüsenöffnung verändert wird.
Wenn dabei die Tendenz der Injektionsdüsenöffnung, die Brennstoffströmung zu
divergieren, im Wesentlichen konstant bleibt, ändert sich im Wesentlichen
nur der Impuls. Er steigt und fällt
nämlich
mit dem Injektionsmassenstrom, wobei eine gleichzeitige Vergrößerung oder Absenkung
der wirksamen Fläche
diese Abhängigkeit
schwächen
oder auch umkehren kann. Ein einfaches Beispiel für eine dabei
weitgehende Konstanz des Injektionswinkels weist neben den beschriebenen,
insbesondere kegelförmigen
Ablenkflächen
des Injektionsdüsenkernstücks außerdem eine
dazu im Wesentlichen parallele Innenfläche des entsprechenden Endes
des Brennstoffrohrs auf. Diese kann also auch kegelförmig sein.
Es wird auf das dritte Ausführungsbeispiel
verwiesen.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
das Brennstoffrohr und das Schirmluftrohr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen,
also aus entsprechend verschiedenen Materialien bestehen. Beispielsweise
kann für
das Schirmluftrohr ein bei herkömmlichen
Brennstoffinjektionseinrichtungen üblicher Stahl (1.4435) mit
einem Koeffizienten von 17 – 18 × 10–6 m/K
für das
Brennstoffrohr jedoch beispielsweise eine warmfester Stahl (etwa
10 CrMo 9-10) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von etwa 11 × 10–6 m/K
gewählt
werden oder umgekehrt.
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Wenn
die Schirmluft deutlich wärmer
als das Brennstoff ist und daher das Schirmluftrohr wärmer als
das Brennstoffrohr, welches durch das Brennstoff gekühlt wird,
und wenn diese Temperaturunterschiede mit steigender Last, also
mit steigendem Brennstoffinjektionsmassenstrom, zunehmen, so werden
die Auswirkungen auf die thermischen Veränderungen der beiden Rohre
noch verstärkt,
wenn das Brennstoffrohr den kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat. Allerdings ist die Erfindung im Prinzip auch durchführbar, wenn
beide Rohre aus dem gleichen Material bestehen, und zwar weil die
Temperaturdifferenz, wie eben beschrieben, vom Brennstoffinjektionsmassenstrom
abhängt.
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Bevorzugt
ist ferner, dass um das Schirmluftrohr herum ein weiteres Gasrohr
vorgesehen ist, also ein Gaskanal vorhanden ist. Damit ist das Brennstoffinjektionssystem "dualfähig", also für sowohl
mit flüssigem
Brennstoff als auch mit Gas betreibbare Brenner und Gasturbinen
geeignet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels für den Stand
der Technik und zweier Ausführungsbeispiele
für die
Erfindung näher
erläutert,
wobei dabei offenbarte Einzelmerkmale auch in anderen Kombinationen
erfindungswesentlich sein können.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht
des verbrennungsseitigen Endes einer konventionellen Brennstoffinjektionseinrichtung.
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2 zeigt eine schematisierte
Darstellung des entsprechenden Endes eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
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3 zeigt eine 2 entsprechende Ansicht
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt eine 3 entsprechende Ansicht
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
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Bereits
im Stand der Technik wurde der Brennstoff mit einem bestimmten Injektionswinkel
in den Brenner injiziert. 1 zeigt
ein typisches Beispiel für
das injektionsdüsenöffnungsseitige
Ende einer konventionellen Brennstoffinjektionseinrichtung eines
Gasturbinenbrenners. Dabei bezeichnet 1 das Brennstoffrohr, 2 das
Schirmluftrohr und 3 ein außenliegendes Gasrohr. Innerhalb
des Brennstoffrohr 1 befindet sich die Brennstoffleitung 4,
zwischen dem Brennstoffrohr 1 und dem Schirmluftrohr 2 der Schirmluftkanal 5 und
zwischen dem Schirmluftrohr 2 und dem Gasrohr 3 der
Gaskanal 6. Das Brennstoffrohr 1 endet in der
linken Seite in vier zu der in 1 waagrecht
liegenden Längsachse
leicht gewinkelten Injektionsdüsenöffnungen 7.
Davon sind in 1 zwei
im Schnitt durch die Zeichenebene und eine dritte unterhalb der
Zeichenebene zu sehen. Eine vierte liegt oberhalb der Zeichenebene
und ist nicht dargestellt. Die Injektionsdüsenöffnungen 7 werden
in Bezug auf die Brennstoffrohrlängsachse
konzentrisch von einer entsprechenden Öffnung des Schirmluftkanals 5 und
einer weiteren konzentrischen Öffnung des
Gaskanals 6 umgeben. Man erkennt dabei, dass der Injektionswinkel
oder sogenannte "Spraywinkel", mit dem der Brennstoff
aus der Brennstoffleitung 4 durch die Injektionsdüsenöffnungen 7 in
den links der Einrichtung liegenden Brennraum injiziert wird, durch die
Geometrie der Injektionsdüsenöffnungen 7 bestimmt
wird. Insbesondere spielen andere geometrische Details des dargestellten
Endes der Brennstoffinjektionseinrichtung keine spürbare Rolle.
Bei geringen Massenströmen
im Start- und unteren Teillastbereich ergeben sich somit ungünstige Verbrennungsparameter
und insbesondere Pulsationen.
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In 2 sind der 1 entsprechende Bezugsziffern zur Beschreibung
eines ersten Ausführungsbeispiels
verwendet. Man erkennt ein zentrales Brennstoffrohr 1 mit
Brennstoffleitung 4, dieses umgebend einen Schirmluftkanal 5 mit
Schirmluftrohr 2 und einen dieses umgebenden Gaskanal 6 mit äußerem Gasrohr 3.
Die Gestaltung des Gasrohrs 3 mit dem Gaskanal 6 entspricht
im Wesentlichen der konventionellen Bauform aus 1, ist jedoch nicht in diesen Einzelheiten
dargestellt. Das Brennstoffrohr 1 endet gegenüber dem
Ende des Schirmluftrohrs 2 etwas zurückversetzt. Konzentrisch zu
dem Brennstoffrohr 1 ist ein kreiskegelförmiges Injektionsdüsenkernstück 8 eingesetzt,
dessen Kegelspitze in das Brennstoffrohr 1 hineinweist.
Dieses Injektionsdüsenkernstück 8 ist
mit schmalen Brücken 9 an
dem Schirmluftrohr 2 gehalten und mit dem Brennstoffrohr 1 mechanisch
nicht verbunden.
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Die
Geometrie aus 2 ist
im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Längsachse (Horizontalen in 2). Die Erfindung richtet
sich aber auch auf andere Rohrformen.
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Zwischen
der Mantelfläche
des Injektionsdüsenkernstücks 8 und
dem Brennstoffrohr 1 ergibt sich ein in Strömungsrichtung
kreisringförmiger
Kanal, der infolge des Winkels der Kegelmantelfläche des Injektionsdüsenkernstücks 8 zu
der in 2 aufrechten
Längsachse
des Brennstoffrohrs 1 dem injizierten Brennstoff einen
Injektionswinkel verleiht. Wenn sich nun infolge der stärkeren Temperaturdifferenz
des Schirmluftrohrs 2 gegenüber dem Brennstoffrohr 1 bei
stärkerem
Brennstoffinjektionsmassenstrom das Schirmluftrohr 2 thermisch
stärker
ausdehnt als das Brennstoffrohr 1, so schiebt sich das
Injektionsdüsenkernstück 8 in 2 relativ zu dem Brennstoffrohr 1 nach
oben. Der Querschnitt bzw. die wirksame Fläche des erwähnten Kreisringkanals wird
also vergrößert, womit
sich der Injektionswinkel verkleinert. Dies erfolgt durch die Temperaturdifferenz
zwischen der Schirmluft in dem Schirmluftkanal 5 und dem Brennstoff
in der Brennstoffleitung 4. Diese Temperaturdifferenz wirkt
sich bei stärkerem
Durchsatz stärker
aus. Der Impuls des injizierten Brennstoffs kann sich dabei auch
verkleinern oder aber schwächer
mit dem Injektionsmassenstrom ansteigen sowie auch etwa konstant
bleiben.
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Der
beschriebene thermische Effekt kann dadurch verstärkt werden,
dass das Brennstoffrohr 1 aus einem warmfesten Stahl, etwa
10 CrMo 9-10 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 11 × 10–6 m/K
besteht, das Schirmluftrohr 2 jedoch aus einem für solche
Einrichtungen üblichen
Stahl 1.4435 mit einem Wärmeausdehnungskoeftizienten
von 17 – 18 × 10–6 m/K.
Damit ist die relative Wärmeausdehnung
des Schirmluftrohrs 2 noch verstärkt. Umgekehrt kann die Einflussnahme
auf den Injektionswinkel auch gedrosselt werden, indem eine andere
Materialwahl getroffen wird. Durch die Wahl des Vorzeichens und
des Betrages des Unterschieds zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
einerseits und auch durch die Geometrieparameter der in 2 qualitativ wiedergegebenen
Konstruktion lässt
sich somit eine Feinanpassung an die gewünschte Abhängigkeit des Injektionswinkels
von dem Brennstoffinjektionsmassenstrom erzielen. Entsprechendes gilt
unter Berücksichtigung
der Abhängigkeit
vom Injektionsmassenstrom auch für
den Injektionsimpuls.
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3 zeigt eine Alternative
als zweites Ausführungsbeispiel.
Hier ist ein kegelförmiges
Injektionsdüsenkernstück 10 vorgesehen,
dessen in 3 mit der
Spitze nach unten weisende Kegelhälfte in ihrer Form dem Injektionsdüsenkernstück 8 aus 2 entspricht.
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Dieses
Injektionsdüsenkernstück 10 ist über einen
Stab 11 und eine schmale Brücke 12 an dem Brennstoffrohr 1 angebracht
und mit dem Schirmluftrohr 2 nicht verbunden. Ferner enthält das Schirmluftrohr 2 an
seinem obersten Ende an seiner Innenfläche eine gemeinsam mit dem
Injektionsdüsenkernstück 10 einen
Düsenkanal
bildenden Einsatz 13. Man erkennt leicht, dass sich bei
diesem Ausführungsbeispiel
der Querschnitt des Düsenkanals
bei stärkerer
Wärmeausdehnung
des Schirmluftrohrs 2 als des Brennstoffrohrs 1 verringert
und nicht wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel vergrößert. Dieser Effekt
könnte
an sich gewünscht
sein, um die Abhängigkeit
des Injektionsimpulses von dem Injektionsmassenstrom zu verstärken.
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Im Übrigen lassen
sich durch entsprechende Materialien, d. h. im Vergleich zu den
Erläuterungen zur 2 umgekehrten Verhältnissen
der Wärmeausdehnungskoeffizienten,
Abschwächungen
oder im Prinzip auch gegenläufige
Bewegungen erzielen.
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Im
Prinzip sind auch Designvarianten denkbar, bei denen der Impuls
des injizierten Brennstoffs konstant gehalten werden kann und der
Spraywinkel sich verändert
oder umgekehrt.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, das
weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel
aus 2 entspricht. Ein
Unterschied liegt darin, dass die Innenseite des injektionsdüsenseitigen
Endes des Brennstoffrohrs 1 kegelförmig angeschrägt ist,
und zwar im Wesentlichen parallel zu der Kegelform des Injektionsdüsenkernstücks 15.
Die angeschrägte
Fläche
ist mit dem Bezugszeichen 14 versehen. Dadurch ergibt sich, ähnlich wie
in 1, ein unabhängig vom
Injektonsmassenstrom im Wesentlichen konstanter Injektionswinkel,
verändert
sich jedoch die wirksame Fläche,
wie dies bereits anhand 2 erläutert wurde.
In dieser Form lässt
sich die Abhängigkeit
des Injektionsimpulses vom Injektionsmassenstrom schwächen oder
sogar umkehren oder auch im Wesentlichen ein konstanter Injektionsimpuls
erzielen.
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- 1
- Brennstoffrohr
- 2
- Schirmluftrohr
- 3
- Gasrohr
- 4
- Brennstoffleitung
- 5
- Schirmluftkanal
- 6
- Gaskanal
- 7
- Injektionsdüsenöffnung
- 8
- Injektionsdüsenkernstück
- 9
- schmale
Brücke
- 10
- Injektionsdüsenkernstück
- 11
- Stab
- 12
- schmale
Brücke
- 13
- Einsatz
- 14
- kegelförmige Innerfläche
- 15
- Injektionsdüsenkernstück