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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzdüse nach
den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
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Im
Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Kraftstoffeinspritzdüse für eine Gasturbinenbrennkammer
mit einem Filmleger, an welchem mehrere Kraftstofföffnungen
ausgebildet sind.
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Die
Gemischaufbereitung von Kraftstoff und Luft in Gasturbinenbrennkammern
erfolgt auf sehr unterschiedliche Weise und lässt sich grundsätzlich bezüglich ihrer
Anwendung für
stationäre
Gasturbinen oder Fluggasturbinen und somit hinsichtlich der unterschiedlichen
Anforderungen unterscheiden. Zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes vornehmlich der
Stickoxidemissionen, muss jedoch generell der Kraftstoff mit möglichst
viel Luft vorgemischt werden, um einen mageren durch Luftüberschuss
gekennzeichneten Verbrennungszustand einzustellen. Diese Mischung
ist problematisch, da sie durch die Verbrennung stabilisierende
Mechanismen beeinträchtigen
kann.
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Die 1 zeigt in schematischer
Seiten-Schnittansicht eine Brennkammer 10 mit zugeordneter
Kraftstoffeinspritzung. Dargestellt ist eine zentrale Zuführung des
Kraftstoffs in der Brennerachse 22 und eine dezentrale
Zuführung
des Kraftstoffs 23 nahezu senkrecht zur Brennerachse. Durch
die Pfeile 11 und 12 ist in schematischer Weise
die Zuführung
von Luft zu einem inneren Drallkörper 14 und einem äußeren Drallkörper 15 gezeigt.
Das Kraftstoff-Luftgemisch 13 strömt in bekannter Weise in die Brennkammer 10 ein.
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Die
Stabilisierung der Verbrennung erfolgt fast ausschließlich mit
Luftdrall, der eine Rezirkulation von teilverbrannten Gasen ermöglicht.
Der Kraftstoff wird oft zentral durch eine Düse eingebracht, die auf der
Mittelachse des Zerstäubers
ange bracht ist. Der Kraftstoff wird hierbei oftmals mit erheblichem Überdruck
in die Luftströmung
eingespritzt, um genügend
Durchdringung zu erzielen und möglichst
viel Luft mit Kraftstoff vormischen zu können. Diese Druckzerstäuber haben
zum einen die Funktion, Kraftstoff direkt zu zerstäuben. Bei
manchen Bauformen einer Einspritzdüse soll jedoch der Kraftstoff möglichst
vollständig
auf eine Zerstäuberlippe
aufgesprüht
werden. Der Kraftstoff wird durch die Luft auf einer Zerstäuberlippe
beschleunigt und am stromabwärtigen
Ende dieser Lippe in kleine Tropfen zerrissen und mit der Luft gemischt.
Eine andere Möglichkeit,
den Kraftstoff auf diese Zerstäuberlippe
aufzubringen, besteht mit einem sogenannten Filmleger, wobei Kraftstoff
möglichst
gleichförmig
in einem Film verteilt wird.
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Eine
weitere Möglichkeit,
den Kraftstoff möglichst
intensiv mit einem großen
Teil der Luft zu mischen, besteht in einer dezentralen Einspritzung (2) von der äußeren Berandung
eines durch einen Filmleger 1 gebildeten Strömungskanals,
welcher den Großteil
der Luft führt.
Dies kann von einer Zerstäuberlippe
oder aber auch von der äußeren Düsenkontur
aus erfolgen. Diese Einspritzung ist dadurch gekennzeichnet, dass,
anders als bei einem Filmleger, der Kraftstoff eine definierte Eindringung
in die Hauptluftströmung
erfahren soll.
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Sowohl
die Kraftstoffeinspritzung mit zentraler Düse bzw. Druckzerstäuber, als
auch eine Ausbringung als Film auf einem Filmleger, sind derart
zu optimieren, dass möglichst
die gesamte den Zerstäuber
durchströmende
Luft homogen mit Kraftstoff vor der Verbrennung durchmischt wird.
Kennzeichnend für
die schadstoffarme speziell stickoxidarme Verbrennung ist eine magere
mit Luftüberschuss
vorgemischte Kraftstoffaufbereitung. Die Konsequenz sind Kraftstoffdüsen, die
große
Strömungsquerschnitte besitzen,
um den hohen Luftanteil mit Kraftstoff vormischen zu können. Aufgrund
der Baugröße dieser Kraftstoffdüsen und
das begrenzte Vermögen
der Kraftstoffstrahlen und – sprays,
bei einer zentralen Einspritzung die immer größer wer denden Luftkanäle zu durchdringen
und damit eine homogene Verteilung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
zu erreichen, sind neuartige Konzepte der Kraftstoffeinspritzung
und -vormischung erforderlich.
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Die
homogene Verteilung und Einbringung des Kraftstoffes in große Luftströmungskanäle erfordert
eine dezentrale Einspritzung aus möglichst vielen Kraftstofföffnungen,
die an den Strömungswänden der
Luftströmung
angeordnet werden müssen. Eine
hohe Anzahl hat zur Konsequenz, dass diese Öffnungen sehr klein sind, was
zu Verblockungen bzw. Verstopfungen durch Kraftstoffverunreinigungen
führen
kann. Da diese Brenner oft bei höheren Lasten
des Triebwerks zugeschaltet werden, kann eine Verblockung auch durch
Zersetzungsprodukte des Kraftstoffes hervorgerufen werden, wenn
nach zuvor erfolgtem Mittel- oder
Hochlastbetrieb der Brennerbetrieb durch diese Kraftstofföffnungen
abgeschaltet wird und sich der in der Kraftstoffdüse verbleibende
Kraftstoff erhitzt und zersetzt.
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Die
Kraftstoffdüsen
sind oft durch eine in radialer Richtung sehr ungleichmäßige Geschwindigkeits-
und Massenstromverteilung gekennzeichnet. Aufgrund des Dralles der
Luft, welcher zur Stabilisierung der nachfolgenden Verbrennung benötigt wird, sind
die lokalen Luftmassenströme
im Bereich der radial äußeren Begrenzungswand
am größten. Wird der
Kraftstoff aus wenigen Öffnungen
in die Strömung
eingebracht, wird zum einen die Homogenität des Kraftstoffes in der Luft
in Umfangsrichtung beeinträchtigt,
zum anderen aber kann der Kraftstoff sehr tief in die Strömung eindringen
und somit unbeabsichtigt in Regionen mischen und verdampfen, in
denen nicht ausreichend Luft zur Verfügung steht. Dies kann auch
bei einer dezentralen Einspritzung auftreten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzdüse der eingangs
genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und zuverlässiger Wirkungsweise
eine gleichmäßige Vermischung
von Kraftstoff und Luft gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die
Unteransprüche
zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen, dass die Mittelachsen der Kraftstofföffnungen durch den Filmleger
bezüglich
ihrer radialen Ausrichtung im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung der
Luft angeordnet sind. Diese im Wesentlichen parallele Anordnung
kann auch bis zu einem Bereich von der absoluten Parallelität abweichen,
die durch einen spitzen Winkel gekennzeichnet ist. Rein aus baulichen
Gründen
ist es nicht immer möglich,
die Kraftstoffeinspritzung vollständig parallel durchzuführen. Erfindungsgemäß ist wichtig,
dass die Kraftstoffeinspritzung eine hohe Axialkomponente hat und
der Kraftstoff somit nicht radial eingespritzt wird.
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Die
Kraftstofföffnungen
können
an einer radial inneren Wandung des Filmlegers angelegt sein, sie
können
jedoch auch an einer Hinterkante desselben austreten.
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Der
Filmleger bzw. der Bereich der Einspritzung des Kraftstoffs ist
bevorzugter Weise zwischen zwei Drallkörpern angeordnet.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Kraftstofföffnungen zusätzlich in
Drallrichtung der Luft geneigt sind, d.h. eine zusätzliche
Umfangskomponente haben. Diese kann im Gleichdrall oder im Gegendrall
ausgebildet sein. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, die Kraftstofföffnungen
einreihig, mehrreihig, zueinander fluchtend oder zueinander gestaffelt
anzuordnen.
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Der
Filmleger kann erfindungsgemäß auch lamellenartig
ausgebildet sein, um eine noch bessere Durchmischung des Luft-Kraftstoff-Gemisches
zu erreichen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Längsschnitts
durch eine erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer,
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2 eine
Kraftstoffdüse
mit dezentraler, nach innen gerichteter Kraftstoffeinspritzung nach dem
Stand der Technik mit entsprechender Verdeutlichung des Details,
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3 eine
erste erfindungsgemäße Ausgestaltungsform
einer Kraftstoffdüse
mit dezentraler Einspritzung mit strömungsgerichteter Kraftstoffeindüsung in
analoger Darstellung zur 2,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Kraftstoffdüse
mit dezentraler Einspritzung mit Kraftstoffeindüsung an der Hinterkante eines
Filmlegers, ebenfalls in analoger Darstellung zu den 2 und 3,
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5 eine
stirnseitige Schnittansicht in Richtung der Pfeile A, B und C der 2 bis 4, darstellend
die Kraftstoffeinspritzung im Gleichdrall zur Luftströmung,
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6 eine
Darstellung analog 5 mit Darstellung der Kraftstoffeinspritzung
im Gegendrall zur Luftströmung,
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7 eine
Teil-Seitenansicht, analog 4,
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8 den
Verlauf der Axialgeschwindigkeit der Luft über einer lokalen Koordinate
x, die den axialen Abstand von der Hinterkante der Kraftstoffeinspritzdüse angibt,
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9 eine
verdeutlichende Darstellung, analog 7, zur Erläuterung
der 10 und 11,
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10 eine
Ansicht in Pfeilrichtung D von 9 zur Darstellung
der äußeren und
der inneren Luftverdrallung sowie der Verdrallung des Kraftstoffs im
Gleichdrall,
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11 eine
Darstellung, analog 10, bei einer Eindüsung des
Kraftstoffs im Gegendrall zur Luftströmung,
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12 eine
verdeutlichende Ansicht zur Darstellung der Abbildungen der 13 und 14,
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13 eine
Ansicht in Richtung des Pfeils D gemäß 12 zur
Darstellung einer einreihigen Anordnung von Kraftstoffbohrungen,
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14 eine
analoge Darstellung zur 13 mit
gestaffelter Anordnung der Kraftstoffbohrungen,
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15 eine
weitere Ausgestaltungsvariante mit einer lamellenartigen Ausführung der
Filmlegeroberfläche.
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In
den Figuren sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern
versehen.
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Die 3 zeigt
in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Filmleger 1,
wobei Kraftstofföffnungen 2,
insbesondere Kraftstoffbohrungen 3, dargestellt sind, deren
Mittelachsen 5 um einen Winkel α zur Hauptströmungsrichtung 6 (wandnahe
Strömungsrichtung
im inneren Drallkanal) geneigt sind.
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Das
Bezugszeichen 16 zeigt ein angestelltes Wandelement des
Filmlegers 1, das Bezugszeichen 17 zeigt eine
aerodynamisch angepasste Filmlegeroberfläche. Mit dem Bezugszeichen 21 ist
eine Kraftstoffleitung dargestellt.
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Die
Erfindung vermeidet das ungewollte Eindringen des flüssigen Kraftstoffs
in Gebiete mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
und der damit verbundenen ungleichmässigen Kraftstoff-Luft-Mischung. Eine
vorgeschlagene Ausführungsform
ist in 3 dargestellt. Der Kraftstoff wird hier an einem Filmleger
nicht radial nach innen, d.h. mit einer hohen Radialkomponente der
Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs in einen inneren Drallkanal
eingedüst. Vielmehr
ist in dem vorgeschlagenen Konzept eine hohe Axialkomponente der
Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffs vorhanden und der Kraftstoff
wird annähernd
parallel zur Hauptströmungsrichtung
des inneren Drallkanals eingebracht. In 3 sind schematisch
die Kraftstofföffnungen
sowie die Ausdüsung des
Kraftstoffs dargestellt.
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Der
Kraftstoff wird zunächst über die
dargestellten Öffnungen über einen
gegenüber
der Luftströmungsrichtung
angestellten Winkel α eingedüst, der
als spitzer Winkel ausgebildet ist. Außerdem können die Kraftstofföffnungen
auch in Umfangsrichtung im Gleich- bzw. Gegendrall zur Luftströmung angeordnet
sein. Durch die Anstellung kann die Anzahl der Kraftstofföffnungen
reduziert werden, gleichzeitig wird auch die Eindringtiefe kontrolliert,
da die Regionen hoher Luftgeschwindigkeit und somit hoher lokaler
Luftmassenströme
im wandnahen Bereich der äußeren Wand
des verdrallten Luftstromes auftreten. Der flüssige Kraftstoff gelangt nach
einer kurzen Lauflänge
nach der Ausdüsung
auf die Oberfläche
eines angestellten Wandelements des Filmlegers, auf der eine Verteilung
bzw. Filmbildung des Kraftstoffs in axialer und in Umfangsrichtung
stattfindet (siehe 3). Durch die hohe Strömungsbeschleunigung
in der Wandnähe
des Filmlegers wird der sich ausbildende Kraftstofffilm weiter stromab
in Grenzschichtnähe
der nachfolgenden Kontur des Filmlegers gehalten. Durch eine aerodynamisch
günstige
d.h. verlustarme Gestaltung der Filmlegergeo metrie vor den Austrittsbohrungen
des Kraftstoffs, findet somit bereits ab der Eindüsungsstelle
des Kraftstoffs eine Vermischung mit der verdrallten Luft statt.
Außerdem wird
die Strömungsbeschleunigung
der Luft ausgenutzt, um ein Eindringen von unverdampften Kraftstofftropfen
in Richtung der Brennerachse zu vermeiden. Im Gegensatz zu den bisher
bekannten Kraftstoffdüsen
mit dezentraler Einspritzung (siehe 2) kann
erfindungsgemäß die Ausbildung
eines ungestörten
sich entlang des Filmlegers sich entwickelnden Kraftstofffilms gewährleistet
werden. Aus konstruktiven Gründen
kann die in 3 dargestellte Ausführungsform
auch als geteilte Bauweise ausgelegt sein. Die Form der Öffnungen
kann zudem unterschiedlich ausgeführt sein, d.h. rund, elliptisch
etc. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion
wird die Entwicklung eines Kraftstofffilms in einer radial sehr begrenzten
Strömungsschicht
gewährleistet.
An der Hinterkante des Filmlegers reißt der Kraftstofffilm ab und
wird durch das Vorhandensein von beschleunigter und verdrallter
Luft aus dem äußeren und
inneren Strömungskanal
homogen gemischt.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht die Eindüsung
des Kraftstoffs an der Hinterkante eines Strömungsteilers zwischen zwei
Drallerzeugern vor (4). Die Geschwindigkeitsmaxima
der in der Drallerzeugern beschleunigten und verdrallten Luft befindet
sich in Wandnähe
des ausgebildeten Strömungsteilers,
d.h. in der Außenströmung der Grenzschicht
auf beiden Seiten des Strömungsteilers.
Im Nachlauf des Strömungsteilers
findet eine kontinuierliche Beschleunigung der Luft bei hoher Luftverdrallung
statt. 7 und 8 zeigen dazu die axiale Beschleunigung
der Strömung
im Nachlauf der Hinterkante des Strömungsteilers, wobei x der axiale
Abstand von der Hinterkante des Strömungsteilers ist. CFD-Untersuchungen
haben gezeigt, dass mit dieser Ausführungsform eine sehr homogene Kraftstoff-Luft-Mischung
im Nachlaufbereich des Strömungsteilers
erreicht werden kann, wobei der Kraftstoff in axial beschleunigte
Strömungsgebiete eingebracht
wird. Bei im Mittel niedrigen Temperaturen lassen sich sehr niedrige
Stickoxidemissionen erreichen. Das Hauptmerkmal dieser Ausführungsform ist
das Vermeiden von signifikanten radialen Geschwindigkeitskomponenten
des eingedüsten
Kraftstoffs, sodass ein Eindringen von einzelnen Tropfenklassen
in die Nähe
der Brennerachse, d.h. in Gebiete mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, grundsätzlich vermieden
wird. Durch die sich ausbildende Scherschicht zwischen den verdrallten
Luftströmungen
erfolgt bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Kraftstoff und
Luft eine sehr intensive Mischung. Unterschiedliche Eindüsungsvarianten sind
in den 9 bis 14 gezeigt. Die Eindüsung des
Kraftstoffs kann sowohl im Gleich- als auch Gegendrall zum inneren
bzw. äußeren Luftdrall
erfolgen. Außerdem
kann die Anordnung der Kraftstoffbohrungen sowohl einreihig als
auch mehrreihig, fluchtend als auch gestaffelt zueinander angeordnet
sein.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht eine lamellenartige Formgebung des Filmlegers vor.
In 15 ist dazu schematisch eine Variante des Filmlegers
dargestellt. In Anlehnung an die verlustarme Gestaltung des Abgasmischers
eines Flugtriebwerkes wird angestrebt, unterschiedliche Luftmassenströme möglichst
verlustarm zu einer Gesamtströmung
zusammenzuführen.
Die Mischung soll in dem vorgeschlagenen Brennerkonzept allerdings
zu einer verbesserten Gemischbildung durch eine dreidimensionale
Vermischung eines verdrallten Luftstroms mit einer bereits mit Kraftstoff
teilweise vorgemischten Luftströmung
führen.
Die verdrallte Luft aus dem äußeren Kanal
dringt durch die Formgebung periodisch in den inneren Kanal ein.
Bei einer Eindüsung
des Kraftstoffs im inneren bzw. äußeren Drallkanal
entwickelt sich bei Erhöhung
der Aufenthaltszeit stromab des Filmlegers ein Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Dieses Gemisch kann ebenfalls durch die Formgebung in den inneren
Drallkanal eindringen. Innerhalb einer geeigneten „Auslenkung" s bis maximal ±15% von
der nominalen Mittellinie der Hinterkante des Filmlegers kann somit
eine Strömungsschicht
erzeugt werden, in der eine sehr intensive Mischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus
dem inneren Kanal und reiner Luftzumischung aus dem äußeren Drallkanal
oder umgekehrt erfolgen kann. Damit lässt sich ein sehr homogenes
Gemisch erzeugen, das ein gleichmäßiges Temperaturfeld mit niedrigen Absoluttemperaturen
und geringen Stickoxid-Werten ermöglicht. Ein weiteres Merkmal
der in 15 dargestellten Ausführungsform
kann auch eine umfangsangepasste Spiralgeometrie des lamellenförmigen Filmlegers
sein, bei der die Lamellengeometrie entsprechend effektiv dem Luftdrall
in Wandnähe
des Filmlegers angepasst ist.
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Der
Vorteil der Erfindung ist somit eine praxisrelevante Lösung der
Problematik, Kraftstoff mit Luft homogen vorzumischen und hierbei
mit möglichst
wenigen, relativ großen
Kraftstofföffnungen eine
definierte und nicht zu große
Eindringtiefe des Kraftstoffs in die Luftströmung zu erzielen. Gesamtziel
ist die Reduzierung des Stickoxidaustoßes der Gasturbinenbrennkammer
mit einer robusten und technisch umsetzbaren Kraftstoffeinspritzkonfiguration.
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- 1
- Filmleger
- 2
- Kraftstofföffnung
- 3
- Kraftstoffbohrung
- 4
- Kraftstoffrichtung
- 5
- Mittelachse
der Kraftstofföffnungen
- 6
- Wandnahe
Hauptströmungsrichtung
(innerer Drallkanal)
- 7
- Wandnahe
Hauptströmungsrichtung
(äußerer Drallkanal)
- 8
- Luftdrall
(innerer Drallkanal)
- 9
- Luftdrall
(äußerer Drallkanal)
- 10
- Brennkammer
- 11
- Luftzuführung (innerer
Drallkanal)
- 12
- Luftzuführung (äußerer Drallkanal)
- 13
- Kraftstoff-/Luftgemisch
- 14
- Innerer
Drallkörper
- 15
- Äußerer Drallkörper
- 16
- Wandelement
- 17
- Filmlegeroberfläche
- 18
- Äußerer Drallkanal(Luft)
- 19
- Innerer
Drallkanal(Luft)
- 20
- Filmlegeroberfläche
- 21
- Kraftstoffleitung
- 22
- Kraftstoffzuführung (zentral)
- 23
- Kraftstoffzuführung(dezentral)
- 24
- Lamellenförmiger Filmleger